从零学起:开关电源设计入门
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2.5 正激式变换器的工作原理

正激式DC/DC变换器,简称正激式变换器,英文为Forward Converter。正激式变换器一般用于100~300W中等功率的开关电源中,通过高频变压器实现输入/输出电器隔离,是常用的DC/DC变换器之一。本节以单端正激式变换器(因其只有一个功率开关管,也称为单管正激式变换器)为例,介绍正激式变换器的工作原理。

2.5.1 正激式DC/DC变换器的拓扑结构

正激式DC/DC变换器的拓扑结构如图2-5-1所示。UI为直流输入电压,T为高频变压器,其中NP为初级绕组,NS为次级绕组。高频变压器的初级绕组与次级绕组的极性相同,同名端位置如图中所示。NR为磁复位绕组,其匝数与NP相同,在VT关断期间,泄放励磁电流,使高频变压器磁复位。VT为功率开关管,VD1为整流二极管,VD2为续流二极管,二极管VD3为励磁电流提供泄放回路。L为输出滤波电感,C为输出滤波电容,UO为直流输出电压,RL为外部负载电阻。脉宽调制器(PWM)用来控制功率开关管VT的导通与关断,是变换器的控制核心。

图2-5-1 正激式DC/DC变换器的拓扑结构

2.5.2 正激式DC/DC变换器的工作原理

正激式DC/DC变换器的工作原理如图2-5-2所示,功率开关管VT在脉宽调制(PWM)信号的控制下,交替地导通与关断(也称截止),相当于一个机械开关高速地闭合与断开。图2-5-2(a)和图2-5-2(b)分别示出了VT导通和关断时的电流路径,为了便于电路分析,图中用开关S的闭合与断开来代替VT的导通和关断。

图2-5-2 正激式DC/DC变换器的工作原理

当功率开关管VT导通(即S闭合)时,如图2-5-2(a)所示,输入电压UI直接加到高频变压器初级绕组NP的两端,使初级电流IP线性地增加。初级绕组的感应电动势为上“+”下“-”。根据电磁感应原理,高频变压器磁复位绕组NR和次级绕组NS两端的感应电压也为上“+”下“-”,此时二极管VD3截止,整流二极管VD1导通,续流二极管VD2截止。次级绕组NS产生的电压US施加到输出滤波电感L左端,形成线性增加的次级电流IS(即整流二极管VD1的正向电流IF1),电感储存的能量也在增加,L上的感应电动势为左“+”右“-”。IS为输出滤波电容C充电,并为负载RL提供输出电流IO。次级绕组电流IS为电容充电电流I1和负载电流IO的总和。

当功率开关管VT关断(即S断开)时,如图2-5-2(b)所示,初级侧绕组NP的电流突然中断,根据电磁感应的原理,此时在初级绕组上会产生反极性的感应电压。同时,高频变压器的磁复位绕组NR和次级绕组NS也同时产生极性为上“-”下“+”的感应电压。此时二极管VD3导通,整流二极管VD1截止。高频变压器的励磁电流IR将通过二极管VD3回馈到输入电源UI端,并线性的逐渐减小到零。因电感L中的电流不能突变,整流二极管VD1截止后,L将产生左“-”右“+”的感应电压,使续流二极管VD2导通,产生电流IF,储存在L中的磁能就转换为电能,经过由VD2构成的回路继续向负载RL供电。随着L中磁能的释放,IF逐渐减小,输出滤波电容C将产生放电电流I2,负载电流IO为流过电感的电流IF和电容放电电流I2的总和。

小贴示

正激式变换器是在功率开关管导通期间向负载传输能量的,是典型的正激型变换器。

和反激式变换器不同,正激式变换器的初级电流IP和次级电流IS产生的磁场在高频变压器中相互抵消,不会引起变压器磁芯的过度磁化,高频变压器上基本不储存能量。在功率开关管关断时,高频变压器励磁电流的能量将通过磁复位绕组回馈到输入电源。

正激式DC/DC变换器的电压及电流波形如图2-5-3所示。PWM表示脉宽调制波形,tON为功率开关管VT的导通时间,tOFF为功率开关管VT的关断时间。T为开关周期。UC为功率开关管VT的集电极电压波形。IP为初级绕组的电流波形,即VT集电极的电流波形。IS为次级绕组的电流波形,即整流二极管VD1的正向电流波形。IF为续流二极管VD2的电流波形。US为次级绕组两端的电压波形。

图2-5-3 正激式DC/DC变换器的电压及电流波形

可以看出,当功率开关管VT导通时,其集电极电压UC为零;在VT关断时,其集电极电压UC将高达输入电压UI的2倍。这是因为磁复位期间初级绕组NP产生了上“-”下“+”的感应电压,该电压与UI相等并与UI叠加,使UC变为2UI

为了保证高频变压器能够完成磁复位过程,正激式变换器的PWM信号占空比D不能超过50%。为了留有安全余量,通常将最大占空比限制在45%以下。

小贴示

正激式变换器的PWM信号占空比不能超过50%。

正激式DC/DC变换器主要有以下特点。

① 输出电压UOUI的关系为:UO=DNS/NPUI。可以通过改变初、次级绕组的匝数比,构成升压或降压式开关电源。改变占空比D即可调节输出电压。

② 功率开关管VT承受的最大电压UCE=2UI

③ 功率开关管VT的最大集电极电流IC=(NS/NPIO

④ 整流二极管的平均电流IS=DIO

⑤ 整流二极管的反向电压UR=UO+(NS/NPUI

⑥ 续流二极管的平均电流IF=(1-DIO

⑦ 正激式变换器必须在输出整流二极管与滤波电容之间串联滤波电感(也称平波电感或扼流圈),该电感还能起到储能作用,因此亦称储能电感。