并联型推挽式开关电源电路

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并联型推挽式开关电源电路

发表于 2019-07-19 09:25:38
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并联型全桥式开关电源电路

全桥式开关电源比半桥式开关电源的开关管增加了一倍,这样就使得导通开关管上所流过的电流全部通过开关变压器传输给负载,使开关管集电极峰值电压和电流均降低了一半,从根本上弥补了半桥式开关电源电路存在的不足,因此在中、大功率输出的场合,全桥式开关电源得到了广泛的应用(前面介绍的推挽式和半桥式一般用于中小功率输出的场合)。

1.自激全桥式开关电源电路

并联型自激全桥式开关电源一般很少应用,这里不作介绍。

2.他激全桥式开关电源电路

并联型他激全桥式开关电源电路基本电路如图5-21所示。

并联型推挽式开关电源电路

对比图5-18和图5-21可以看出,全桥式开关电源的变换器实际上是由两个半桥式开关电源的变换器组合而成,因此,二者的工作原理也是基本一致的。

电路工作时,在PWM控制芯片的控制下,VTI、VT4同时截止,VT2、VT3同时导通,且VT1、VT4导通时,VT2、VT3截止,也就是说,VT1、VT4与VT2、VT3是交替导通的,使开关变压器T-次绕组形成方波电压,经T耦合和整波滤波后,形成所需的直流电压。改变开关管的脉冲占空比,可以改变VT1、VT4和VT2、VT3的导通与截止时间,从而改变了开关变压器T的储能,也就改变了输出的电压值。

并联型推挽式开关电源电路

并联型推挽式开关电源分为自激式和他激式,其中,他激式应用较多。下面简要介绍这两种类型的推挽式开关电源的识图要点。

1.并联型自激推挽式开关电源电路

(1)基本电路

并联型自激推挽式开关电源电路是1955年由美国人罗耶( Royer)首先发明和设计出来的,故又称为罗耶变换器,其基本电路如图5-8所示。

并联型推挽式开关电源电路

当接通输入直流电源电压Ui后,就会在分压器电阻R1上产生一个电压,该电压通过开关变压器T的Nbl和Nb2两个绕组分别加到两个功率开关管VTI和VT2的基极上。由于电路不可能完全对称,所以总能使其中的一个功率开关管首先导通。假若是功率开关管VTI首先导通,那么功率开关管VTI集电极的电流厶1就会流过开关变压器一次绕组Npl,使开关变压器T的磁芯磁化,同时也使其他的绕组产生感应电动势。在基极绕组Nb2上产生的感应电动势使功率开关管VT2的基极处于负电位,使其反向偏置而维持在截止状态;在另一个基极绕组Nbl上产生的感应电动势则使功率开关管VT1的集电极电流进一步增加,这是一个正反馈的过程。其最后的结果是使功率开关管VT1很快就达到饱和导通状态,此时,几乎全部的输入直流电源电压U1被加到开关变压器T的绕组Npl上,同时,开关变压器T的磁通量变化率接近于零,因此,开关变压器T的所有绕组上的感应电动势也接近于零。由于绕组Nbl两端的感应电动势接近于零,于是功率开关管VT1的基极电流减小,集电极电流开始下降,从而使所有绕组上的感应电动势反向,紧接着磁芯的磁通脱离饱和状态,这就发生了跟前面一样的雪崩过程,促使功率开关管VT1很快进入截止状态,功率开关管VT2很快进入饱和导通状态。这时几乎全部的输入直流电源电压Ui又被加到开关变压器T的绕组Np2上,使开关变压器T磁芯的磁通直线下降,很快就达到了反向的磁饱和值。此时基极绕组Nb2上的感应电动势下降,再次引起正反馈,使功率开关管VT2脱离饱和状态,然后转换到截止状态,而功率开关管VT1又转换到饱和导通状态。上述过程周而复始,这样就在两个功率开关管VT1和VT2的集电极形成了周期性的方波电压,从而在开关变压器T的二次绕组Ns上形成了周期性的方波电压。将该绕组Nsl、Ns2上所形成的周期性的方波电压,经过整流和滤波后,就形成了开关电源的直流输出电压值,这就是自激型推挽式开关电源电路的工作过程。

(2)应用电路

图5-9所示是并联型自激推挽式开关电源的一种实际应用电路,该电源电路的主要性能如下。

并联型推挽式开关电源电路

①输入直流电源电压为28V。

②输出直流电压为:A路10V,B路20V。

③输出功率为120W。

④输出纹波电压两路均小于lOOmV。

⑤工作频率为2kHz。

⑥转换效率为80%。

⑦具有开关电源停振自动保护功能。

当接入28V直流输入电源电压时,启动电阻R和电容C2很快给两只功率开关管VT1和VT2其中的任意一只提供正向偏置电压,促使该功率开关管导通,与该功率开关管基极相连的开关变压器反馈绕组就会给另一只功率开关管提供反向偏置电压,使其维持截止状态。当开关电源电路中的开关变压器T磁芯的磁通变化到正的饱和值附近时,电路的工作状态开始翻转,很快使原来处于导通状态的功率开关管变为截止状态,而原来处于截止状态的功率开关管此时则翻转为导通状态。当开关变压器T中磁芯的磁通变化到负的饱和值时,又要发生功率开关管工作状态的翻转。这样就会在开关变压器T的一次绕组中产生交替变化的方波电压信号,此方波电压信号被耦合到它的二次绕组中,在经过整流、滤波后成为所需要的直流供电电压。

电路中的电容器C3、C4和开关变压器二次侧的电感L1、L2是为了减小开关电源电路的噪声和输出电压中的纹波电压而设置的。

(3)改进型电路

上面的自激推挽式开关电源还存在一定的缺点,主要是开关管集电极峰值电流较高、电路容易产生不平衡、对磁性材料要求较严、对开关管耐压值要求较高等,为了克服这些缺点,又发明了自激推挽式双变压器开关电源,其基本电路如图5-10所示。

并联型推挽式开关电源电路

自激推挽式双变压器开关电源电路用一个体积较小的工作在饱和状态的驱动变压器T1来控制功率开关管工作状态的转换,而使用一个体积较大的工作在线性状态的开关变压器T2来进行电压的变换和功率的传输。由于采用了独立的饱和驱动变压器,因此开关电源电路的工作特性就有了很大的改善。

电路的工作过程是,在接通电源后,由于电路总是存在着不平衡,假定功率开关管VT1首先导通,它的集电极电压就会降低,在输出开关变压器T2的一次绕组Npl两端就会产生电压,一次绕组Np2的两端也会相应地产生感应电压。绕组Npl、Np2上所产生的电压值之和全部加到由驱动变压器T1的一次绕组与反馈电阻Rf组成的串联电路两端。驱动变压器T1的二次绕组Nb2上所产生的电压把功率开关管VT2的基极置成反向偏置,使其保持截止状态;驱动变压器T1的二次绕组Nbl上所产生的电压把功率开关管VT1的基极置成正向偏置,使其很快达到饱和导通状态。

驱动变压器T1磁化电流的增加就会导致T1的饱和。一旦T1达到饱和,一次绕组Nf中的电流很快增加,因此反馈电阻Rf两端的电压降也就会增加。这样,绕组Nf上的电压降就会减小,于是与驱动变压器T1二次绕组相连的功率开关管的激励电压也会相应减小,原来处于饱和导通状态的功率开关管VT1集电极电流开始减小,逐渐退出饱和区。因此,所有绕组上的感应电压全部反向。功率开关管VT2开始导通,功率开关管VT1将很快进入截止状态。功率开关管VT2的饱和导通状态将一直维持到驱动变压器T1的磁通达到负的饱和值为止。这时两只功率开关管VTI和VT2的工作状态将又会发生翻转,使功率开关管VT2截止,功率开关管VT1重新导通。如此重复上述过程,电路形成自激振荡状态,这就是自激推挽式双变压器开关电源电路的工作过程。

2.并联型他激推挽式开关电源电路

并联型他激推挽式开关电源电路与自激推挽式开关电源电路主要有以下两点区别。

一是自激推挽式开关电源电路中的功率开关管和开关变压器要作为振荡电路的器件而参与其振荡工作,振荡器的工作频率和占空比均与功率开关管和开关变压器的技术参数有关。而他激推挽式开关电源电路中的功率开关管和开关变压器只作为功率变换电路,不参与振荡电路的工作,振荡器的工作频率和占空比均与功率开关管和开关变压器的技术参数无关。

二是他激推挽式开关电源电路中具有专门的PWM(或PFM)振荡、驱动和控制电路,该振荡、驱动和控制电路一般均由一个集成电路来承担,而自激推挽式开关电源电路中却没有这些电路。

(1)基本电路

图5-11所示是并联型他激推挽式开关电源的基本电路。

并联型推挽式开关电源电路

电路工作时,在PWM控制芯片的控制下,推挽电路中的两个开关管VT1和VT2交替导通,在一次绕组L1和L2两端分别形成方波电压,此方波电压信号被耦合到T的二次绕组中,在经过整流、滤波后成为所需要的直流供电电压。改变输入到VTI、VT2开关脉冲的占空比,可以改变VT1、VT2导通与截止时间,从而改变了开关变压器T的储能,也就改变了输出的电压值。需要注意的是,当VTI和VT2同时导通时,相当于开关变压器一次绕组短路,因此应避免两个开关管同时导通。

(2)双管共态导通问题

两个功率开关管同时导通的现象也称为共态导通现象。这种现象一旦发生,就会将功率开关管全部击穿而损坏,给用户造成极大的经济损失。他激推挽式开关电源电路中所存在的双管共态导通问题在后面将要讲到的桥式开关电源电路中也同样存在,因此,在电路中一般都设有相应的电路来解决这一问题,无论是识图还是维修,此类器件都应引起我们足够重视。下面对双管共态导通问题进行简要的介绍和分析。

在他激推挽式开关电源电路中,一只功率开关管在正向驱动脉冲的作用下处于导通状态,而另一只在反向关断脉冲作用下处于关断状态,虽然失去了正向驱动脉冲信号,但由于存储时间的作用仍然停留在导通状态,这就产生了双管同时导通的现象,俗称“共态导通”。在上面基本电路的分析中可以看到,当双管同时导通时就会出现开关变压器一次侧两个对称的绕组一个给磁芯正向励磁,另一个给磁芯反向励磁,相互抵消。这样一来,一则开关变压器的二次侧无感应电压产生,输出端无直流电压输出:二则开关变压器一次侧的两个对称绕组相当于两根短路线,将输入直流电源电压直接短路到两只功率开关管的集电极和发射极之间,使集电极峰值电流急剧增加,严重时两只功率开关管同时电流击穿而被损坏。产生双管共态导通现象的电路及各点的波形如图5-12所示。

并联型推挽式开关电源电路

从图中还可以看出,产生双管共态导通的原因除了功率开关管所存在的存储时间以外,

还包括驱动信号的上升沿和下降沿延迟时间过长。

为了避免双管共态导通现象的发生,电路中都设有相应的元器件进行防范,其电路形式也较多,下面只简要介绍两种。

图5-13所示是加入了RC延时导通电路的他激推挽式开关电源。

并联型推挽式开关电源电路

电路中,两个电容器CI和C2分别接于每个功率开关管的基极与地之间,使输入驱动方波信号的正向上升沿因积聚电荷而延迟开启时间。输入电阻R1(R2)和二极管VDl (VD2)并联,对于输入驱动正向上升信号来说,二极管VDl (VD2)是反向偏置的,RC延迟电路起作用。对于输入驱动跳变信号来说,二极管VDl (VD2)正向偏置与电阻R1 (R2)分流,使电容C1 (C2)快速放电,并从功率开关管基极抽取较大的反向电流。

图5-14所示是另一种形式的RC延迟导通电路。

并联型推挽式开关电源电路

和上一种RC延时导通电路相比,电路中增加了一只开关变压器T1,它为两个功率开关管基极电路提供反向的驱动脉冲信号,也为基极放电提供了简易的通路。开关变压器T1二次侧的两个输出电压为相位错开的、对地正负相间的双向脉冲信号电压。加入此部分电路后,性能更好,可靠性更高。

(3)他激推挽式开关电源电路中的PWM电路

他激推挽式开关电源电路中的PWM电路一般采用专用的PWM集成电路,称为PWM控制芯片,内部包括PWM发生器、PWM驱动器、PWM控制器等电路,并且采用双端驱动输出形式(相位相差180。)。另外,具有双端驱动输出的这些PWM控制芯片不但能构成他激推挽式开关电源电路,还能构成其他类型的双端式开关电源,如半桥式、全桥式等开关电源电路。目前,PWM控制芯片形式多样,下面以应用较多的UC3525A为例进行说明。

UC3525A是一系列的电压控制模式的PWM控制与驱动器集成电路。其内部电路如图5-15所示,引脚功能如表5-3所示。与UC3525A功能基本一致的还有UC1525A、UC2525A、UC3527A等。

并联型推挽式开关电源电路

并联型推挽式开关电源电路

使用该集成电路芯片构成的开关电源不但具有良好的性能,而且还具有外围元器件少、调试和安装简单等优点。连接于Ct端和Discharge端的电阻可以实现对PWM输出驱动信号的死区时间进行调节,该器件仅需要一个外部定时电容就可以实现软启动功能。UC3525A还具有欠压封锁输出的功能,这种功能是通过其内部的一个欠压封锁电路来实现的,当输入电压大于2.5V之前,欠压锁定电路即开始工作,直到输入电压等于8V。而当输入电压从8V降至7.5V时,欠压锁定电路则又开始恢复工作。另外该芯片内部还具有一个PWM触发器,该PWM触发器的主要功能是当内部的PWM脉冲信号不管是由于什么原因而被关闭时,都能将输出端关闭而维持一段时间,并且该触发器在内部时钟信号的每一个周期内都要被复位一次。该芯片的输出级被设计为图腾柱输出方式,具有输出和吸收200mA的输出驱动能力。

图5-16所示是由UC3525A构成的他激推挽式开关电源电路。

并联型推挽式开关电源电路

工作时,输入电压Ui经开关变压器T的两个绕组分别加到两只开关管VT1、VT2的集电极,同时,Ui还经R9、R10限流后,为PWM控制芯片UC3525A的⒀、⑥脚提供工作电压:UC3525A工作后,从⑾、⒁脚输出驱动脉冲,经RC延迟电路(R11、C9和R12、C10)延迟后,分别加到开关管VT1、VT2的基极,在驱动脉冲的作用下,使两个开关管VT1和VT2交替导通,在VT1、VT2的集电极产生方波信号,此方波电压信号被耦合到T的二次绕组中,在经过整流、滤波后成为所需要的直流供电电压Uo。

当输出的直流电压Uo升高时,则流过光电耦合器IC2中发光二极管的电流增大,其发光强度增强,则光敏三极管导通加强,使UC3525A的①脚电压下降,经UC3525A内部电路检测后,控制⑾、⒁脚输出的驱动脉冲占空比减小,开关管VTI、VT2提前截止,使开关电源的输出电压下降到正常值;反之,当输出电压降低时,经上述稳压电路的负反馈作用,开关管VT1、VT2导通时间变长,输出电压上升到正常值。

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