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推挽变压器中初级绕组之间的耦合很重要

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  • 更新日期:2013-12-19 22:48
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详细介绍
推挽变压器中初级绕组之间的耦合很重要。1 剩余能量
我们知道当变压器工作时,如桥式,推挽,正激等,能量不能全部从初级传递到次级,一部分激磁能量储存在磁芯里,一部分能量因为没有完全耦合,储存在初级和次级的线包里,我们叫它们剩余能量,如果转换器工作在高频率(大于 100kHz),大能量(大于400W)的条件下,剩余能量是十分可观的。例如一个400W的全桥变压器,电感Ls:67μH,漏感 LL:0.1μH,初级电流Iload:12.6A,激磁电流Iexciting:0.5A,工作频率f:150kHz。存储在磁芯里的能量:Wcore=(1/2)*Ls*I2excitingf*2 =2.5W。存储在线包里的能量:Wwinding=(1/2)*LL*I2load*f*2=2.38W;剩余能量:Wremain=Wcore+Wwinding=4.88W,我们可以看到如何处理剩余能量对转换器的效率是非常重要的。在全桥和半桥的转换器中,剩余能量能通过开关管的寄生二极管传回到电源中。在正激变换器中,过去 RC snubber 被引用到电路中吸收剩余能量,它可以嵌位电压但是会牺牲效率。现在有源嵌位电路被应用到正激变换器中,它既可以嵌位峰值电压,又可以回收剩余能量,并把剩余能量传回电源中,像桥式变换器那样。
2 推挽变压器是怎么工作的
推挽变压器是双向激磁,磁芯的利用率高,我们可以从图1中看到,推挽变压器有两个初级绕组,两个开关管都是低电位的。所以低成本,高效率的N沟道MOSFET可以应用到电路中。在推挽变换器中,剩余能量的处理很复杂,不像桥式变换器那样,剩余能量通过开关管寄生二极管回收到电源中,也不像正激变换器那样增加有源嵌位电路,因为有源嵌位电路的相位和另一个初级绕组的电流相位相同,所以RC snubbers经常应用到推挽电路中。我们看看它们是怎样工作的,如图2,为了简化,我们假设次级没有负载。在 t1~t2间,Q1开通,输入电压加载到线圈 NP1上,激磁电流开始上升。在 t2~t3期间, Q1关断,NP1上的电流下降到零,NP2开始负方向加载电流,通过MOSFET Q2的体二极管形成回路,能量传回到电源。这种工作模式像反激变压器,同时,snubber1开始通过 D1加载电流,这部分能量将被snubber1消耗掉。在 t3~t4期间,Q2打开,输入电压加载到NP2上,NP2上的反方向电流下降的零,意味着能量返回的过程结束。在t4~t5期间,NP2上开始加载正向电流,开始重复t1~t2的过程。我们可以看到剩余能量被分成两部分,一部分通过另一个初级和开关管的体二极管返回到电源,一部分被 snubber吸收。
如果两个初级绕组耦合的好,剩余能量能被最大限度的传递回电源中,这样既可以节省能量,又能嵌位另一个开关管上的峰值电压。所以说两个初级线圈之间的耦合对推挽变换器的效率起到关键的作用。
3 普思电子的创新设计
普思电子中国研发中心开发出了系列创新的产品,多股绞线平板变压器,两个初级线圈由自粘绞线绕在一起,和次级绕组交替叠加,如图 3,传统的结构如图 4。
4 仿真结果
我们知道当Q1打开时,Q2上的电压为两倍输入电压,实际上Q2上的电压远远大于两倍输入电压,因为漏感的存在。电源设计工程师不得不用价格高,效率低的高电压的开关管。普思开发的绞线平板变压器可以使初级线圈之间的漏感降到最低,这样开关管上的峰值电压可以被大大的降低。图5是绞线变压器和传统变压器的仿真结果对比,我们可以看到应用普思绞线变压器,开关管上的峰值电压可以从200V下降到150V。这样电源设计工程师可以选择便宜,高效的开关管。
我们知道一部分剩余能量将被回收到电源中,一部分被snubbers吸收,如果两个初级耦合的好,大部分剩余能量将被回收到电源中。图6是snubbers吸收能量的比较,我们可以看到应用普思的绞线变压器,snubbers吸收的能量从2.4W下降到1.38W,所以snubbers的温升也会下降,
 
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