如何实现开关电源准谐振

2023-06-25 理论教育版权反馈

【摘要】：图6-16 准谐振变换器开关管漏极电压波形所谓准谐振电路是在方波转换器的开关转换瞬间实现极低的损耗，故称为“准谐振”。实现准谐振方式的关键是保证主开关在VDS的电压极小值时将主开关开通。要检测这个最小值，可采用检测振荡变压器辅助绕组电压的方法，快速地检测开关管VDS电压的极小值。第1个谐振电路决定开关管上的最高电压，第2个谐振电路决定开关管的导通时间TW。CP包括开关管的漏极电容Coss和分布电容，CP可以等于Coss。

图6-16 准谐振变换器开关管漏极电压波形

所谓准谐振电路是在方波转换器的开关转换瞬间实现极低的损耗，故称为“准谐振”。实现准谐振方式的关键是保证主开关在V_DS的电压极小值时将主开关开通。要检测这个最小值，可采用检测振荡变压器辅助绕组电压的方法，快速地检测开关管V_DS电压的极小值。

MOSFET各个极存在寄生电容，由于这些电容的存在，在硬开关转换过程中，会产生振荡，这种振荡就是损耗产生的原因。同样，变压器各绕组间、层与层之间，都存在有寄生电容，在一个时钟周期里MOSFET的导通和关断会产生很大的电流尖峰，电流尖峰含有很多谐波，从而产生EMI，污染了环境。

如果不用固定时钟来初始化导通时间，而利用电路测量开关管漏-源极电压的最低值，就在这时启动开关管的导通时间，结果就会由于寄生电容被放电到最小电压，峰值导通电流将会最小化，这时被称为准谐振开关，由于寄生电容没有放电，因此，尖峰电流不会出现。这种电源的调节是通过改变电源的工作频率来实现的。不管当时的负载或电路电压是多少，MOSFET始终保持电压在低谷时导通，因此，这种模式称为边界条件模式。准谐振也意味着零电压关断损耗。由于规定MOSFET会在谷值处进行转换，在某种情况下，可能会增加源-漏极间电容，以降低源-漏极电压的上升速度。较慢的源-漏极电压上升时间，会降低MOS-FET关断时漏极电流和漏极电压之间的电压/电流交叠，使得MOSFET的功耗更小，从而降低其开关管温度增强的可靠性。

实现零电压导通，这是减小开关损耗，降低EMI噪声最好的措施。一般只要增加磁通复位检测功能（通常是利用辅助绕组来实现），以便在检测到振荡电压达到最低点时打开开关管。但问题是工作频率是变化的，从而影响了设计参数的准确。设计参数包括：变换器的工作频率f_s；一次绕组最大峰值电流I_P（max）；最低输入直流电压V_i（min）；一次绕组电感量L_P；二次绕组到一次绕组反激电压V_OR等。在准谐振模式下，工作频率f_s是变化的，因而使I_P（max）和LP无法确定。图6-16所示为MOSFET的漏极电压在一个周期的漏极电压波形，由图可见，工作周期由3部分组成：T_ON、T_OFF、T_W。当开关管导通时，一次绕组有电流流动，电流将以V_IN/L_P的斜率增大。当电流达到L_P（max）时，控制器将开关管关断。开关管的导通时间T_ON由下式确定：

开关管关闭后，存储在变压器的能量将被传递到二次绕组。T_OFF代表了二次绕组吸收能量的过程

式中，L_S为二次绕组电感量，I_ps为二次绕组峰值电流，V_out为输出电压，V_DS为开关管漏-源极电压降。

设变压器一、二次绕组匝数比为N，即

有下列关系：

经计算将式（6-4）～式（6-6）代入式（6-2）得到

当二次绕组的能量释放完后，一次绕组上的感应电压V_OR也消失。由于一次电感量L_P和开关管的漏极电容C_P及电阻组成一个RLC谐振电路，因此，感应电压变化为

V_OR=V_O^-Rαt cos（2πf_pt）（6-8）

式中，α是衰减因子，，fp是谐振频率，f由此得到开关管的漏极电压：

当时具有最小值，可得：

该值就是我们要求的T_W，即

至此得到准谐振变换器的一个完整的工作周期T：

T=T_ON+T_OFF+T_W（6-12）

则其工作`频率

对于反激式变换器的功率传递式：

对此式整理得到：一次绕组电感L_P和电流IP

将式（6-15）代入式（6-13）可得：

式中，V_IN、P_o是已知的，准谐振效率η为0.9～0.96。对式（6-16）要求出I_P值，还须确定V_OR、CP、f_s。

V_OR是二次到一次的感应电压，它取决于开关管漏极击穿电压V_DSS、最大直流输入电压V_IN（max）等参数。在反激式准谐振模式下，为了实现零电压导通，V_OR应取大一些。在800V的MOSFET，按下式确定：

ΔV是一次绕组漏感L_LEAK与开关管的漏极电容C_P所形成的尖峰电压有关，经验取值为0.2V_DSS，则上式变为

C_P是开关管漏极对地电容，属于谐振电容，与漏感L_LEAK构成第1个谐振电路，与一次绕组的电感L_P形成第2个谐振电路。第1个谐振电路决定开关管上的最高电压，第2个谐振电路决定开关管的导通时间T_W。C_P包括开关管的漏极电容C_oss和分布电容，C_P可以等于C_oss。我们知道C_oss会随V_DS的变化而变化，但是，当V_DS特别小时，C_oss才会有明显变化，当V_DS=25V时，C_oss不会有变化。第2种情况是开关管漏极外增加一个电容C_D，这时C_P由下式确定：

式中，L_LEAK为一次绕组漏感，I_P是一次绕组峰值电流。

整理式（6-19）可得：

取L_LEAK=0.2L_P，将值代入式（6-20），得到

根据计算将式（6-16）整理得

将式（6-22）代入式（6-21）最后得到：

从式（6-23）可以看出：较大的C_P值可以抑制尖峰电压，但会增加损耗，也会形成EMI噪声。一般C_P取100～1000pF之间，同时使用RCD钳位电路抑制这种尖峰电压。f_s是系统的工作频率，对于准谐振模式，工作频率是变化的，在设计时，应以最低工作频率确定，通常f_s取25k～50kHz。至此，3个量V_OR、C_P、f_s都得到确定，将它们代入式（6-16）就可以算出I_P，将I_P代入式（6-15）算出L_P。确定了这些参数后，下一步设计高频变压器、转换电路等重要电路。

关键参数计算只是理论计算，还需要结合实际经验的分析确定，要根据实际电路波形进行细致地调整，这样才能达到谐振变换器的高效率、低EMI、低THD的电源优势。

如何实现开关电源准谐振

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