2.4.1 基本原理
双端正激变换器拓扑如图2.13所示。与图2.10所示的单管单端(以下简称单端)正激变换器使用单个开关管不同,双端正激变换器使用两个开关管,且这样有显著的优点。即关断时,每个开关管仅承受一倍直流输入电压(单端正激变换器中为两倍直流输入电压)。另外,关断时也不出现漏感尖峰。
图2.13 双端正激变换器。开关管Q1和Q2同时导通和关断。二极管D1和D2的作用是使Q1和Q2的最大关断电压应力为Vdc,而图2.10所示的正激变换器最大关断电压应力为漏感尖峰加上22Vdc。
2.3.7节中曾指出,考虑到15%的瞬态误差、10%的稳态误差和30%的漏感尖峰,交流输入为额定电压120V的单端正激变换器的关断电压应力高达550V。
尽管许多双极型晶体管额定Vcev高达650V甚至850V,能够承受这样的电压应力,但使用只承受一半关断电压应力的双端正激变换器要更可靠。可靠性是开关电源设计中最重要的考虑因素。若权衡可靠性与原始成本,则最好的、从长远看也是最经济的选择是可靠性。
而且,对于用于欧洲市场的电源(那里交流电压为220V,整流后额定直流电压约为308V),根本不能使用单端正激变换器,因为开关管关断时电压应力太大(式(2.29))。用于欧洲市场的产品,只能采用双端正激变换器、半桥或全桥电路(将在第3章讨论)。
下面分析双端正激变换器的工作原理。如图2.13所示,Q1和Q2分别串接于变压器初级的顶端和底端。两个开关管同时导通和关断。当它们导通时,所有初级和次级的同名端为正,功率传递给负载。当它们关断时,存储于T1励磁电感上的电流使所有绕组电压极性反向。Np的同名端电位被二极管D1钳位至地电位。Np的异名端电位被二极管D2钳位于Vdc。
所以,Q1的发射极电压不会超过Vdc,Q2的集电极电压也不会超过Vdc。漏感尖峰被钳位,使任一开关管的最大电压应力都不会超过最大直流输入电压。
电路更显著的优点是没有漏感能量消耗。开关管导通时,存储于漏感中的所有能量不是消耗于电阻元件或功率开关管内,而是在开关管关断时通过D1和D2回馈给Vdc。漏感电流从Np的异名端流出,经D2流入Vdc的正极,然后从其负极流出,经D1返回到Np的同名端。
考察图2.13所示的电路会发现,只要保证复位时间等于导通时间,则磁心总能复位。因为开关管关断时,Np上的反向电压与导通时其上的正向电压相等。因此
若不需要最大导通时间超过半周期的80%,使下半周期开始前有20%的安全裕量,则磁心总能成功地复位。选择足够大的次级匝数,使Vdc最小时次级电压峰值与最大占空比0.4的乘积等于所需输出电压(式(2.25)),就可达到上述要求。