雙正激DC/DC變換器的一種新型拓撲研究

仿真波形

基于上面的電路原理分析,有助于理解以下給出的計算機仿真結果。

本方案的可行性研究是通過Pspice810 軟件仿真來完成的。它的強大功能很適用于電力電子電路的原理及性能分析。仿真采用Pspice 內置的元器件: 主電路的MOS 管采用IRFD150 ,高頻變壓器的模型由電感元件L 和耦合系數元件K構造而成。MOS 管的開關頻率為40kHz ,仿真時間為10ms。選取暫態(tài)仿真即得到如圖4 所示幾組波形,它可更充分完整地說明前面分析的原理。

以下將分析各波形的產生原理及相互聯系。鑒于主電路變壓器原邊上下橋臂工作情況類似,只需觀察上橋臂的工作情況就可以較清楚地了解整個電路的工作原理。圖4 (a) 展示的是加在主MOS 管M1門極的PWM控制芯片產生的波形(為了簡化仿真,它只是邏輯電平。門極實際的電平變化請參照本文實際測量波形) ;而加在M2 的門極信號與之類似,只是從時間上交錯開。

圖(c) 是原邊繞組L1 兩端電壓: 當主MOS 管M1 導通時,使原邊線圈兩端作用以U = U_d/2 的正向電壓;當M2 導通時,由于L1、L2 緊耦合且極性相反,則L1 兩端為負電壓;當M1 、M2 都關斷時,L1 兩端電壓為零。

圖(b) 是流過繞組L1 的電流波形:從中也不難看出在主開關管M1 導通時為一條線性增加的直線,由于它還包含了負載電流成分,因而此直線并不是正負對稱,而是向上平移了;在M1 關斷時,L1 不流過電流。圖(d) 所示的是與圖(b) 相關的勵磁續(xù)流回路的電流波形:在M1 或M2 開通時,勵磁電流由原邊提供,此時該續(xù)流回路電流為零;當M1 、M2 都關斷時,勵磁電流通過續(xù)流回路作用維持恒定的正值或負值,以維持磁通近似恒定。通過這兩個波形,進一步證實了在前面原理分析中對勵磁電流變化規(guī)律的總結。

圖(e) 是勵磁電流續(xù)流回路的MOS 管M7 的門極信號(M8 的與之相同) 。為了保證該回路能夠在M1 、M2 關斷時開通,兩門極信號之間采用了“或非”的邏輯關系。具體的電路結構可參照PWM 控制產生部分。

圖(f) 就是所關心的變壓器某一副邊繞組的波形:從圖中可看出,它只在M1 導通時才出現正電平或M2 導通時出現負電平,而在兩管均不通時,電壓為零;也就是說,可以通過改變主電路MOS 管門極信號的占空比來達到控制輸出電壓的目的。這都是在勵磁續(xù)流回路的作用下才得以實現的,否則在M1 、M2 關斷期間,副邊也會產生很高的電壓,這便失去了輸出電壓的可控性。

實驗波形

在分析實驗波形之前,應該注意的是由于變壓器總會存在一些漏感,因此實際的波形與仿真得到的有一些細微差別,這是很正常的。

在圖5 (a) 中,上側波形就是前面提到的主電路上橋臂MOS 管實際的門極信號,它是由SG3525 的OUTA、OUTB 合成的,下橋臂MOS 管門極信號電平與其相反;圖5 (a) 下側波形是由OUTA、OUTB“或非”得到的勵磁續(xù)流回路MOS 管的門極信號,從圖中可以很好地看到兩者的對應關系。

在圖5(b)中,下側波形就是其中勵磁續(xù)流回路的MOS 管門極控制電壓信號;上側波形為變壓器某副邊繞組的電壓波形,可見只有在主電路MOS 管開通時,副邊繞組兩端才有正向或負向電壓;而當M1、M2 均不導通時,繞組兩端電壓為零(由于漏感影響,有一些振蕩) ,依此可以達到通過改變占空比調壓的目的。實際波形與仿真波形基本吻合,表明實驗取得了期望的結果。

結語

在科研實踐中,提出了一種新型的雙端正激式DC/DC 變換器拓撲方案。它除具有鐵芯利用率高,正負半周均可傳遞能量等優(yōu)點外,還可有效地避免上下橋臂直通短路問題。本文分析了其所構成的開關電源主電路及控制、自啟動等回路的結構原理,同時還提出一種新型勵磁磁勢維持續(xù)流控制方法,有效地解決了其它方案的磁通維持階段波形變差的問題,特別適合于直流輸入電壓高,高頻變壓器變比大的情況,具有較高的實用價值。