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准谐振单端反激式变换器的分析和设计

来源: 编者:高彧博,谢章贵 发布时间:2014-02-10

摘要:基于行波管灯丝、调制器的电源设计要求,提出了一种准谐振单端反激式变换器。准谐振变换器是通过调整开关电源波形以减少或消除电源的开关损耗,本文所讨论的准谐振变换器是在功率开关关断时开始谐振,达到零电压开启,实现软开关。文中对该电路拓扑设计、参数选择、saber电路仿真以及实验结果进行了详细描述。
关键词:开关电源;行波管;准谐振;单端反激;saber仿真
Abstract:
Keyword:

行波管放大器广泛应用于雷达、导航、通讯等各个领域,随着星载、弹载行波管放大器的逐步发展,行波管放大器的电源设计要求也逐步提高,要求小体积、高效率、高可靠性等。

本文详细分析了可作为行波管灯丝、调制器供电电源的准谐振单端反激式变换器。行波管灯丝、调制器电源功率需求不大,但要求多路输出交叉调整率好,故而选择单端反激式变换器;对于星载、弹载的行波管放大器灯丝、调制器电源而言,要求小体积、高效率,因此选择准谐振拓扑,可以降低损耗,提高效率,提高开关频率,减小电源体积。

软开关的实现

1.1 拓扑工作原理

   准谐振式单端反激变换器的工作原理如图1所示,开关管Q1漏源电压Vds与栅极驱动电压Vgs工作波形如图2所示。

 

图1单端反激式准谐振变换器原理图

 

图2准谐振波形

准谐振工作过程分析:

1.开关管导通时间ton内,Vdc加在变压器初级电感Lp和谐振电感Lr两端。

Lp+Lr                                          (1)

Ip为初级峰值电流。

2.开关管关断时间toff内,变压器初级电感Lp在开关管导通期间储能

                                                  (2)

开关管关断时向次级馈能。谐振电感Lr储能

                                                   (3)

与谐振电容Cr进入谐振状态,Cr两端电压如图2中的Vds。此时,变压器初级电感可等效为电压源Vor,等效电路图如图3所示。

 

3 Toff状态等效电路图

如上图所示等效电路列出KVL方程

                                             (4)

上式中c(t)为电容两端谐振电压,令t0=0,i(t0)=Ipc(t)=0,可解得:

谐振电流 i(t)=A                                        (5)

谐振电压 Vc(t)           (6)

上式中  A

Vc即为开关管两端电压,则开关管两端电压峰值Vcm= ,在开关管关断期间,开关管两端电压以(为次级折射到初级的等效电压)为基准,以为幅度进行谐振,开关管需要零电压导通,则在开关管关断期间,其两端谐振电压必须在下一个周期开通前回零(存在第二个零点),而且关断期间单谐振峰软开关效果最佳。据此,得到开关管零电压开通的软开关条件:

                                                                 (7)

1.2 开关管损耗分析

    电路工作频率较高,功率较小,选用MOSFET作为开关管,文中分析的开关管指MOSFET。在传统硬开关电源中,由于MOSFET的输出电容(漏源寄生电容)较大,器件关断时,输入电压加在输出电容上,输出电容存储能量较大,开通瞬间这些能量全部损耗在器件上,开通损耗大,而且对MOSFET应力较大,这种开通损耗与频率、输出电容成正比,与输入电压的平方成正比,严重限制了开关频率的提高,从而限制了电源的体积。采用准谐振使开关管完成零电压开通,大大减小了开关损耗,从而让电源的高频化小型化成为可能。

电源设计

2.1 电源要求

  

  

  

  

  

  

2.2 主回路设计

2.2.1 电源主回路结构

图4电源主回路结构框图

   电源主回路结构如图4所示,以灯丝电源输出绕组为主进行反馈稳压,其他路输出功率较小,对于类似行波管调制器等对纹波要求较高的电源,可用后级串联调整进一步稳压并减小纹波。

2.2.2 电源控制方式选择

   由(1),(2)可知,选择调宽控制方式,控制开关管导通脉宽,可控制变压器馈能大小,从而达到控制输出电压的目的。据此,控制芯片选择反激式变换器最常用的UC1842。

   根据前文准谐振分析可知,谐振过程在开关管关断Toff期间完成,而谐振频率不变,所以要完成准谐振零电压开通,应该将关断时间Toff固定。电源控制方式选择为固定关断时间、可控开通时间的电流型控制方式。UC1842芯片不能固定关断时间,所以要加辅助开关管进行控制,如图5所示。

......



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