详解双管正激电路工作流程与波形不对称难题

出处:网络整理时间:2025-05-21
电子电路领域,双管正激电路凭借其较高的可靠性,得到了广泛的应用。特别是在双管正激开关电源的调试过程中,后级 DC/DC 变换电路常采用无损吸收的双管正激电路。这种形式的无损吸收电路,对改善上下功率管的开关轨迹有着较好的效果。接下来,我们将深入分析双管正激电路的工作过程、波形不对称产生的原因以及相应的解决方法。
双管正激电路的基本结构如图所示:

双管正激电路工作过程分析


假设电路的起始工作状态为开关管关断,变压器副边处于续流状态。当上下管子同时开通时,电路会经历以下几个关键阶段:
  1. 阶段 1:管子开通瞬间,其结电容放电到零。410V 的直流母线电压加在由 C23、VD30、L5、VD29、C22 组成的谐振网络上,形成串联谐振。由于二极管 VD29、VD30 的反向阻断作用,终谐振结果是 C23、C22 上的电压保持在 410V 的母线电压。
  2. 阶段 2:上下管开通,变压器原边流过电流,开始向负载提供能量。
  3. 阶段 3:经过占空比 D 的导通之后,功率管开始关断。此时变压器原边仍流过负载电流,在关断初期,这个负载大电流给 C22、C23 以及管子的结电容线性充放电。在此过程中,始终保持下管结电容上的电压和 C22 上电压之和为 410V,上管结电容上电压与 C23 上电压之和也为 410V,同时变压器原边绕组上电压相应下降。由于负载大电流的线性充放电作用,这个阶段维持时间很短,终上下管结电容、C22、C23 上电压均为 205V 左右。
  4. 阶段 4:从这一时刻起,变压器原边电压下降到零,副边续流二极管开始导通,其电流逐渐增大,同时整流二极管上电流逐渐减小。在这一阶段,整流与续流二极管同时导通,变压器副边电压钳位在零,而在变压器原边励磁电感上电压也保持在零。变压器的漏感与结电容、吸收电容谐振,功率管上电压以正弦形式继续升高,吸收电容 C22、C23 上的电压相应减小,以维持其和为 410V。当原边电流由负载电流谐振下降到励磁电流后,副边整流二极管关断,结束换流。但由于二极管的反向恢复,原边漏感上还会出现几个周期的反复振荡,一直到整流二极管完全关断。此时变压器原边只流过励磁电流,且这段时间非常短,所以励磁电流几乎没有衰减。
  5. 阶段 5:此时变压器原边励磁电感与结电容、吸收电容进行谐振,励磁电流继续给电容充、放电,使得结电容上电压以较大的谐振周期继续振荡上升,吸收电容上电压继续减小。由于吸收电容比结电容要大很多,因此谐振电流主要流经吸收电容,这就使得吸收电路对功率管有较好的吸收作用。如果励磁电感所储藏的能量比较大,功率管上的谐振电压会超过 410V 的母线电压,此时钳位二极管 VD27、VD32 将导通,将其电压钳在 410V,励磁电感中的能量将直接回馈到直流母线,而吸收电容 C22、C23 上的电压也会放到零电位。当励磁电流振荡到零之后,由于结电容上电压的作用又会反向振荡,励磁电感上电流反向增大,功率管上电压谐振减小,变压器原边电压由负电压逐渐回升。当其电压达到零之后,如果继续振荡下去,变压器原边会出现正电压,而功率管又处于关断状态,无法向副边提供能量,因此这个振荡能量会立即被吸收到副边,使得原边谐振电路处于终的稳定态。此时上下功率管上电压为 205V 的均分电压,并一直保持到下个周期管子再次开通。
  6. 阶段 6:原边关断,负载电流通过续流二极管续流。至此,一个完整的工作周期结束。

波形不对称产生的原因


在理想情况下,上下功率管上的 DS 波形应该是完全对称的。但实际上,由于器件参数的离散性、上下管的驱动以及布线的不一致性,会导致上下功率管 DS 波形出现较大偏差。例如,可能会出现一个管子(如下管)关断时,其 DS 上电压早就上升并钳位在母线电压,而此时上管的谐振包络线还远远没有达到母线电压,如图所示:

这种现象产生的原因是,从管子关断开始,流经上下谐振支路的电流不一样。这是因为上下功率管关断时间不一致,当一个管子上电流已经衰减到零,而另一个管子上还有电流。这样,上下两个谐振支路上电容就会积累不同的电荷,产生不同的电压,从而导致上下管的谐振波形不一致。为了证实这一点,我们将上下两个管子关断时的 DS 波形拍下进行对比。从波形可以看出,下管的关断的确比上管要快。我们还将驱动变压器的两组驱动做了上下调换,试验结果表明上下管的 DS 波形几乎完全对称。此外,通过在下管驱动反抽回路里适当地串联一个小电阻以减低其关断速度,也可以得到同样的结果,其波形如图所示。由此可以确定,功率管由于关断时间的不一致而导致了上下管波形的不对称。

波形不对称问题的解决方法


波形严重不对称会对电路的正常工作产生不良影响。如果上下功率管关断时其 DS 结电容上积累的能量相差很大,能量小的那一路钳位二极管根本就不参与工作,而能量大的那一路却有很长时间会通过钳位二极管向直流母线回馈能量,导致其二极管温度高,可靠性下降,严重时会损坏二极管。因此,有必要将其不对称性降低到一定范围内。
解决方法主要有以下几种:
首先,在 PCB 布线时,上下管走线要尽量对称,绕制变压器时两个驱动绕组要尽量一致,以尽量调整使得上下管的关断时间一致。而在 PCB 板、驱动变压器、驱动参数都已既定的条件下,若存在不对称性(例如下管电压高而上管电压低,只是不对称的程度稍有区别),可以在关断速度快的那一路的驱动反抽电路里串进一个小电阻,人为地将其关断速度降低,以达到与另外一路同步。但需要注意的是,这样做会影响整机效率,使得功率管的温升提高,所以需要折衷考虑。
还有一种方法是将变压器励磁电感加大。不过,从角度理解,这种方法并没有解决根本问题。它只是将励磁能量加大,使得上下管的能量都积累到一定程度,让钳位二极管都导通,相当于强制性地将波形拉对称,但并没有减轻钳位二极管的负担。而且,漏感的相应增大还会延长动态转换时间。
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