图1 移向全桥变换器 拓扑结构
图1中,Vin为输入电压,S1~S4为功率开关管,D1~D4分别为S1~S4寄生的反并联二极管,C1~C4分别为功率开关管S1~S4的寄生电容,Lleak为变压器漏感,ip为流入变压器一次侧的电流,Lm为变压器激磁电感,iLm为流过变压器激磁电感上的电流,T为以N1:N2为变比的变压器,is为流出变压器二次侧的电流,Lp为串联辅助支路的谐振电感,Cp为串联辅助支路的谐振电容,iLp为流过辅助支路的电流,DR1~DR4为整流二极管,Lf为滤波电感,iLf为滤波电感上的电流,Cf为滤波电容,io为输出电流,Vo为输出电压。
在环流阶段变压器原副边仍然耦合,LC串联辅助支路可以在开关频率下呈容性以吸收多余激磁电感电流,流过LC串联辅助支路的iLp可等效回原边与Lm上的电流叠加,总的电流表示为ia。
具体输入输出指标设计如下:输入电压:Vin = 200 V~300 V;输出电压:Vo = 48 V;最大输出电流:Io_max = 6 A;最小开关频率:fmin = 100 kHz。
考虑到开关管内阻和整流二极管电压降的影响,在最低输入电压Vin = 200 V的情况下,移相角α选择最小值1rad。
当计算变压器的匝数比n,考虑到整流二极管的压降,变换器的增益表达式写为:
式中,Vd为整流二极管压降,将α = 1 rad,Vd = 1 V,Vo = 48 V和Vin = 200 V代入上式中,得出出变压器匝数比n = 2.59,选取变比为2.5。为确定移相角的范围,将变比和输入电压代入上式可得:
在输入电压为200 V和300 V的条件下的移相角α的值分别为1.18 rad和1.83rad,因此,最终将移相角的变化范围确定为1.18 rad ≤ α ≤ 1.83 rad。根据第一个式子可确定不同输入电压下的移相角,如图2所示。
图2 不同输入电压Vin下的α的值
移相全桥变换器的工作模式可以根据滤波电感电流是否连续分为电流连续模式(CCM),和电流断续模式(DCM)。通过设置变换器的连续电流模式和断续电流模式的边界,可以确定输出滤波器电感的值。滤波电感Lf的峰峰值纹波电流ΔILf如下式所示。
式中,ΔILf为滤波电感的电流ILf的纹波,ILf _avg = Io = 6 A。取输出滤波电感的电流ILf最大纹波为最大输出电流Io的10%,则当输出电流为最大电流的5%时,输出滤波电感电流为连续模式;输出电流最大值Io_max为6 A,则滤波电感的电流的纹波ΔILf为0.6 A,再将Vo = 48 V,fs = 100 kHz,α = 1.83 rad和ΔILf代入上式,可以计算出滤波器电感的最小值Lf_min。得出Lf_min = 233 μH。为了便于设计,最终选取Lf = 260 μH,在这种情况下,ΔILf = 0.54 A。
输出滤波电容的大小由下式计算:
设计的变换器希望具有较小的峰峰值电压纹波,选取纹波为5 mV。将ΔILf _max = 0.54 A,fs = 100 kHz和ΔVo= 5 mV代入式(3.5),计算出输出滤波电容Cf为270 μF,这里我们最终选择滤波电感大小为310 μF,根据上式可知,此时输出电压纹波ΔVo = 4.35 mV。