|
|
|
反激式开关电源的软开关技术步入实用化
|
|
Soft switching technology of Flyback SMPS turning
into practice
|
|
■辽宁工学院 陈永真
|
反激式开关电源以电路简单、电磁干扰相对小而得到广泛应用，特别是在电视机中的应用。但随着彩色电视屏幕越来越大，要求其功率也越来越大，尽管各种形式的开关电源均能满足IEC1000-3-2标准，但彩色电视机的要求更高，主要是对电视图像信号的干扰；随着电视机电源功率越来越大，电磁干扰（EMI）也越来越大，对低频道有较明显的图像干扰影响画面质量。通常减小EMI的方法主要是采用自激型反激式开关电源，用开关速度相对慢的双极晶体管作为主开关；加大缓冲电路电容量来降低关断过程的dv/dt、di/dt产生的EMI。用减缓导通过程来减小开通EMI，付出的代价是电源效率下降、发热量大、可靠性下降，因而需要一种低EMI、高效反激式开关电源。软开关反激式开关电源便是比较理想的解决方案。
软开关的基本思路
软开关可分为关断过程软开关和开通过程软开关，为减小EMI和输出整流二极管的反向恢复效应，反激式变换大多工作在电流断续状态，因而开关管在关断前的电流最大，减小关断应力和关断过程产生的EMI是反激式开关电源的软开关技术首先要解决的问题。另外，开通过程软开关化还可进一步减小EMI，提高电源效率。
关断过程的软开关技术
通常反激式开关电源采用RCD缓冲电路，如图1。为抑制二极管D反向恢复所产生的EMI，可用一个电阻与D串联，或在负载变化不大的应用（如电视机）中，干脆不用D。尽管这样做，电源效率有所下降，但EMI可作得很小。RCD缓冲电路最大的缺点就是缓冲电容器经缓冲后为下一次再次起缓冲作用，电容器电压必须复位（放电），在RCD缓冲电路中，这个过程在开关管导通后缓冲电容器电阻，开关管放电，电阻耗散其复位能量。效率下降、发热。
软关断的基本思想是利用并加大缓冲电容器在关断过程中的作用，软化关断过程，采用无损耗方式，即通过LC谐振方式将缓冲能量转化为复位能量，使缓冲电容电压复位，以提高电源效率。
方法1是R.Petkov和L.Hoboson在1995年提出的电路如图2。其基本原理为：开关管Q关断时，变压器T初级电流经D2缓冲电容C充电，缓冲电容C电压达VR后，输出整流管导通，变压器储能经输出整流管向输出传输，完成缓冲过程。Q导通后利用L与C的谐振，将缓冲电容器C上电压反充到-VR，使缓冲电容复位，由于该缓冲电路的复位是无损耗的，缓冲电容可以较大，缓冲作用时间可达开关周期的3
5%，以有效软化关断过程。电路可用于PWM控制方式，或调频控制方式。实验表明，即使轻载甚至空载时，这种缓冲电路仍然有效。整机效率比RCD缓冲电路高5%以上。
SIEMENS电子零件（现为Infineon）1999年公布了功率因数提高与关断缓冲相结合的电路形式，如图3所示，缓冲原理与图2相同，不同之处是起复位作用的电感不再通过二极管接地，而是接到电源端，同时省去一个二极管。而且通过适当的控制方式和电路参数，这种电路可以将功率因数提升到0.95以上，实现了单开关具有功率因数校正功能的开关电源。
上述两种缓冲电路由于采用了LC谐振方式，将缓冲过程吸收的能量，经LC谐振转化为复位能量，克服了RC或RCD电路。由于采用电阻放电而将复位能量消耗掉的缺点，因而具有较高的电源效率。由于上述两种缓冲电路也可以作得较大，进一步减小了开关管的开关应力，甚至可以消除IGBT的拖尾电流造成的关断过程中不希望有的关断损耗。尽管如此，上述两种缓冲电路仍存在一些共同缺点，由于缓冲电路中存在二极管，必然会出现在缓冲过程结束，或复位开始时的二极管反向恢复造成一定程度的电磁干扰；开关管开通时不是零电压开通，将造成开通损耗和开通EMI，与硬关断过程相比，开通损耗与开通EMI很小，但一旦关断过程实现软开关，其损耗、EMI将大大减小，如600V/10A
MOSFET的COSS约500PF，在350V，50HZ条件下开通，仅COSS放电损耗1.5W；这样，开通损耗，特别是EMI，将成为反激式开关电源的主要开关损耗和EMI。在大屏幕彩色电视机中，硬开通产生的EMI将对图像信号产生严重干扰，因此有必要软化开通，减小开通损耗。
软化开通可以采用降低开通速度，但开通损耗明显增加。解决这一问题的最好方法就是零电压开通，目前IR、Motorola、shindengen、Allegro/Sanken均推出了准谐振（零电压开关）IRIS4000系列、MC33346、MA8000系列、STR-S5700系列、STRF6600系列单端反激式开关电源方案和控制IC，其主回路如图4。图中可以看到，缓冲电路除缓冲电容外，无其它元件，由于缓冲电路无二极管，从根本上消除了缓冲电路中二极管反向恢复造成的EMI。该电路缓冲电容电压复位是利用变压器激磁电感作为复位电感，在变压器储能向输出释放结束时，变压器各绕组电流为零，而缓冲电容电压高于电源电压，缓冲电容通过变压器激磁电感和输入电源放电，并形成串联谐振，经过半个周期，缓冲电容电压接近零，这时开关管Q开通，使开关管"零"电压开通，如图5，不仅基本上消除了开通应力及损耗，而且也极大的减小了开通EMI。如果采取比例驱动方式，还可以进一步减小开通EMI。这样，图4电路产生的EMI，将远低于硬开关EMI。不仅适用作大屏幕电视机供电电源，而且还适用作对EMI非常敏感的无线电收信/发射机供电电源。这种电路可以在空载到满载间任何状态下工作。
准谐振（零电压开关）电路及控制IC的问世标志着反激式开关电源进入软开关技术时代，不仅可在原有的应用领域中提高电源效率，减小EMI，而且还将在对EMI要求比较苛刻的领域中得到新的应用。
|
|
