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摘 要: 根据推挽变换器的原理,深入分析偏磁情况的产生以及因此对电路造成的影响,列举数种抑制偏磁产生的方法,用实验结果表明方法的可行性与变换器依此运行的可靠性。
关键词: 推挽变换器;偏磁;抑制
中图分类号:TM464 文献标识码:A 文章编号:1671-7597(2011)0810181-01
0 引言
推挽变换器应用广泛,优点是电路简单,成本低,电压利用效率高,并有着较高的电压调整率。但是,推挽变换器有两个原边绕组,由于绕组参数以及工作中占空比的不对称,当输出功率大幅度上升时,很容易导致单边功率管发热,降低变换器效率,甚至导致开关管的损坏,而造成损坏的原因在于偏磁的发生。
1 偏磁的产生机理及影响
变压器正常工作时,磁芯的磁通变化一般设计在磁滞回线的线性区域,当开关管Q1导通时,磁通沿着磁滞回线上升;当Q1截止Q2导通时,磁通沿着磁滞回线下降。其上升值也下降值分别于开关管Q1导通期间Np1所施加的伏秒积和开关管Q2导通期间Np2所施加的伏秒积成正比。因此,若两个伏秒积不相等时,刺心的磁通将不能在一个周期结束后回到起点,导致偏离磁滞回线的线性区,进入饱和区。若开关管再次导通,由于进入饱和区的磁芯将失去承受电压的能力,导致开关管受到很高的电压和极大的电流,从而损坏开关管。
容易造成偏磁一般存在以下两种情况:
1)开关管导通时间不同。一般是因为开关管的个体差异或者控制电路控制策略的不同,导致每一个开关周期内两个开关管的导通时间不同,所以伏秒积也无法相等,使偏磁的情况产生。
2)导通压降不同。由于元器件的差异以及驱动电路布板不对称,会让每个导通周期中施加到变压器上的电压不对称,无法满足两个伏秒积相等的条件,同样也会导致偏磁。
2 抑制方法
1)加气隙:增大气隙的作用是使得磁滞回线的线性区域增大,一定程度上减缓变压器半绕组进入饱和区的时间,令推挽变换器不易发生偏磁而产生不期望的各种问题。但是纯粹增大气隙有其局限性,一般都是结合其它的手段同时抑制偏磁现象,单独使用的意义不强。
2)开关管匹配:通常情况下,造成两组导通伏秒积不等的因素有很多。在导通时间上,即使输出控制上波形的宽度相同,单对于双极型晶体管,集电极电压的宽度也未必相同。由于晶体管存在个体差异性,而且受温度影响较大,当其中一个伏秒积大于另一个时,该半绕组磁芯磁通磁滞回线将偏向饱和区,使得该开关管导通电流变大,从而使温度升高,令导通时间进一步增大,造成一个正反馈系统,最终该半绕组进入饱和状态。
因此,办法是使用两个特性一致的开关管,并提供相同的工作条件和散热条件。但使用上不易达到,对元器件的特性测试需要专业的仪器设备,一般情况下比较难以实现。
3)使用MOSFET管:如果将开关管换作MOSFET管,由于MOSFET管不存在导通存储时间,在两个驱动信号相同的情况下,导通时间相同。而且,MOSFET的导通压降随着温度的升高增大,因此不会出现类似双极型晶体管那样的失控状态,所以在一定条件下可以大大降低伏秒积不等的可能性。
4)增加初级绕组电阻:目的在于降低半绕组的伏秒积,在两组伏秒积不同的情况下,伏秒积大的半绕组将通过较大电流。若使该初级绕组的电阻增大,可以增大施加在该电阻上的压降,促使施加在该初级半绕组上的电压降低,从另一个方式上实现了减少伏秒积的效果。
5)使用电流模式控制方式:使用电流型的控制芯片,可以有效限制两个半绕组商店电流不平衡问题,相对于传统的电压型控制芯片,电流型控制芯片在其基础上增加了一个电流反馈内环,构成了双环控制系统,采用电流峰值控制,可以及时的检测变压器和开关管的电流,只要电流脉冲达到预设值,控制回路将减少输出脉冲占空比,及时的降低发生偏磁的可能性。
3 对比实验
采用相同的常规抑制方式,即增加变压器气隙,选用MOSFET管的相同条件下,作出两组不同控制方式的实验。分别使用电压型控制方式芯片TL494和电流型控制方式芯片UC3846对相同的推挽变换器进行控制。经过试验,发现在使用电压型控制方式,可以很好抑制伏秒积不相等造成的偏磁现象;采用电流型的控制方式,可以更加有效,及时的抑制两个半绕组电流的不均衡,以限制峰值电流的方式保障了变换器运行在正常的工作区域当中。
4 结论
文章根据磁学原理分析了推挽变换器的工作原理,并总结出偏磁的发生机理和可能对变换器造成的影响,给出了几种常规的抑制偏磁的方法,并作出对应的实验,通过实验数据并对比电压型控制方式和电流型控制方式的优缺点。证明了以上方法基本满足各种对应的设计要求,同时验证方法的可行性。
参考文献:
[1]林渭勋,现代电力电子技术[M].机械工业出版社,2006.
[2]许峰、王建强、徐殿国、柳玉秀,全桥软开关PWM变换器中变压器偏磁机理及抑制方法的研究电子器件,2002.
[3]张占松、蔡宣三,开关电源的原理与设计,电子工业出版社,1998.
[4]Keith Billings,Switchmode Power Supply Handbook.
[5]Abrabhan I.Pressman,Switching Power Supply Design.
[6]Sanjaya Maniktala,Switching Power Supplies A to Z[M].POSTS & TELECOM PRESS.
关键词: 推挽变换器;偏磁;抑制
中图分类号:TM464 文献标识码:A 文章编号:1671-7597(2011)0810181-01
0 引言
推挽变换器应用广泛,优点是电路简单,成本低,电压利用效率高,并有着较高的电压调整率。但是,推挽变换器有两个原边绕组,由于绕组参数以及工作中占空比的不对称,当输出功率大幅度上升时,很容易导致单边功率管发热,降低变换器效率,甚至导致开关管的损坏,而造成损坏的原因在于偏磁的发生。
1 偏磁的产生机理及影响
变压器正常工作时,磁芯的磁通变化一般设计在磁滞回线的线性区域,当开关管Q1导通时,磁通沿着磁滞回线上升;当Q1截止Q2导通时,磁通沿着磁滞回线下降。其上升值也下降值分别于开关管Q1导通期间Np1所施加的伏秒积和开关管Q2导通期间Np2所施加的伏秒积成正比。因此,若两个伏秒积不相等时,刺心的磁通将不能在一个周期结束后回到起点,导致偏离磁滞回线的线性区,进入饱和区。若开关管再次导通,由于进入饱和区的磁芯将失去承受电压的能力,导致开关管受到很高的电压和极大的电流,从而损坏开关管。
容易造成偏磁一般存在以下两种情况:
1)开关管导通时间不同。一般是因为开关管的个体差异或者控制电路控制策略的不同,导致每一个开关周期内两个开关管的导通时间不同,所以伏秒积也无法相等,使偏磁的情况产生。
2)导通压降不同。由于元器件的差异以及驱动电路布板不对称,会让每个导通周期中施加到变压器上的电压不对称,无法满足两个伏秒积相等的条件,同样也会导致偏磁。
2 抑制方法
1)加气隙:增大气隙的作用是使得磁滞回线的线性区域增大,一定程度上减缓变压器半绕组进入饱和区的时间,令推挽变换器不易发生偏磁而产生不期望的各种问题。但是纯粹增大气隙有其局限性,一般都是结合其它的手段同时抑制偏磁现象,单独使用的意义不强。
2)开关管匹配:通常情况下,造成两组导通伏秒积不等的因素有很多。在导通时间上,即使输出控制上波形的宽度相同,单对于双极型晶体管,集电极电压的宽度也未必相同。由于晶体管存在个体差异性,而且受温度影响较大,当其中一个伏秒积大于另一个时,该半绕组磁芯磁通磁滞回线将偏向饱和区,使得该开关管导通电流变大,从而使温度升高,令导通时间进一步增大,造成一个正反馈系统,最终该半绕组进入饱和状态。
因此,办法是使用两个特性一致的开关管,并提供相同的工作条件和散热条件。但使用上不易达到,对元器件的特性测试需要专业的仪器设备,一般情况下比较难以实现。
3)使用MOSFET管:如果将开关管换作MOSFET管,由于MOSFET管不存在导通存储时间,在两个驱动信号相同的情况下,导通时间相同。而且,MOSFET的导通压降随着温度的升高增大,因此不会出现类似双极型晶体管那样的失控状态,所以在一定条件下可以大大降低伏秒积不等的可能性。
4)增加初级绕组电阻:目的在于降低半绕组的伏秒积,在两组伏秒积不同的情况下,伏秒积大的半绕组将通过较大电流。若使该初级绕组的电阻增大,可以增大施加在该电阻上的压降,促使施加在该初级半绕组上的电压降低,从另一个方式上实现了减少伏秒积的效果。
5)使用电流模式控制方式:使用电流型的控制芯片,可以有效限制两个半绕组商店电流不平衡问题,相对于传统的电压型控制芯片,电流型控制芯片在其基础上增加了一个电流反馈内环,构成了双环控制系统,采用电流峰值控制,可以及时的检测变压器和开关管的电流,只要电流脉冲达到预设值,控制回路将减少输出脉冲占空比,及时的降低发生偏磁的可能性。
3 对比实验
采用相同的常规抑制方式,即增加变压器气隙,选用MOSFET管的相同条件下,作出两组不同控制方式的实验。分别使用电压型控制方式芯片TL494和电流型控制方式芯片UC3846对相同的推挽变换器进行控制。经过试验,发现在使用电压型控制方式,可以很好抑制伏秒积不相等造成的偏磁现象;采用电流型的控制方式,可以更加有效,及时的抑制两个半绕组电流的不均衡,以限制峰值电流的方式保障了变换器运行在正常的工作区域当中。
4 结论
文章根据磁学原理分析了推挽变换器的工作原理,并总结出偏磁的发生机理和可能对变换器造成的影响,给出了几种常规的抑制偏磁的方法,并作出对应的实验,通过实验数据并对比电压型控制方式和电流型控制方式的优缺点。证明了以上方法基本满足各种对应的设计要求,同时验证方法的可行性。
参考文献:
[1]林渭勋,现代电力电子技术[M].机械工业出版社,2006.
[2]许峰、王建强、徐殿国、柳玉秀,全桥软开关PWM变换器中变压器偏磁机理及抑制方法的研究电子器件,2002.
[3]张占松、蔡宣三,开关电源的原理与设计,电子工业出版社,1998.
[4]Keith Billings,Switchmode Power Supply Handbook.
[5]Abrabhan I.Pressman,Switching Power Supply Design.
[6]Sanjaya Maniktala,Switching Power Supplies A to Z[M].POSTS & TELECOM PRESS.