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PI反激电源中的准谐振软开关控制原理

看到很多PI的反激开关电源介绍中加入了准谐振软开关控制,不过在咱们PI板块里介绍谐振软开关的不是很多,而且今天还看到有人回帖对谐振软开关的误解。这几天西安疫情有点严重,lockdown了,随手发一贴和大家学习讨论一下。

下图是单端反激拓扑结构图,Lp是反激变压器的原边电感,Lk是原边漏感,开关器件并联的电容Cs(包含管子自身的寄生电容):

对于开关过程的推导这里就不说了,只说下关于准谐振控制的部分:

在反激电路的MOS一个开关周期(Ts)内,当反激变压器副边的电流为零后,假设原边MOS管的未导通,那么反激变压器的原边电感Lp就会与MOS管D极和S极之间的电容 Cs产生 谐振,上述的谐振等效电路和主要工作波形见下图:

从上述简化模型可知谐振周期为:

在经过 1/2 谐振周期后,当MOS管两端电压达到最小值,Uds_min = max(Uin-Uout/N,0),当 Uout/N>Uin 时,MOS管两端电压能够谐振到 0(也就是谐振波形的谷底),也就是在这会MOS管具备了零电压开通(ZVS)的条件,如下图的虚线所示:

当MOS管的两端电压谐振到 0 V之后,上述电路就不再工作在谐振状态了,原边电感电流iLP曲线将会从正弦变为直线,即线性下降,下降的斜率如下公式:

由于电感电流线性减小的直线为正弦曲线变为直线时该点的切线,该直线与横轴的交点在正弦曲线过零点的右侧,所以原边电感电流下降斜率小于谐振工作时的下降斜率,即经过 1/2 个谐振周期后,原边电感电流仍未下降到零,MOS管仍然满足零电压开通条件。
因此,经过 1/2 个谐振周期后,MOS管漏源电压最小。为了使反激变换器原边MOS管开通损耗最小,在变压器去磁结束后,延迟 Tr/2 时间再开通MOS管即可保证MOS管开通损耗最小,特别地,当 Uin/N>Uout时,反激变换器工作在ZVS开通状态。
以上就是准谐振软开关的原理,把上述推到的内容中最关键的“延迟 Tr/2 时间再开通MOS管”加入到反激变换器MOS管开关周期Ts里,也即是谐振周期补偿到开关周期里边,就能实现MOS的软开关,也即是ZVS开通。
补充一句:这里只考虑了谐振补偿,事实上深究起来我们在计算推到开关周期Ts的时候,还需要把漏感Lk也算进去,不过这就是另外一个话题了。

发帖仅为了与同行们讨论学习一下,如有不正确的地方请不吝赐教,多谢。

全部回复(51)
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2021-12-25 13:49

西安加油!
感谢楼主分享  学习了

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XHH9062
LV.9
3
2021-12-25 13:55

感谢楼主的分享

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2021-12-25 14:20

对于开关过程的推导   这块儿方便再分享一下吗?

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Marcia
LV.6
5
2021-12-25 14:53

感谢楼主的经验分享  学习了

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Marcia
LV.6
6
2021-12-25 15:02

很不错的分享  学习了

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2021-12-25 15:11

感谢分享

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2021-12-25 16:00

由于电感电流线性减小的直线为正弦曲线变为直线时该点的切线,该直线与横轴的交点在正弦曲线过零点的右侧

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不可说
LV.5
9
2021-12-26 19:44
@打你不许哭
对于开关过程的推导  这块儿方便再分享一下吗?

不同的工作模式推到的开关周期和PWM占空比还不一样,常见的有三种:DCM断续模式,CCN连续模式,BCM临界模式。准备抽时间再发帖写一下。

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2021-12-27 13:53

准谐振软开关控制的话,这个功率方面可以做到最大多少?

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2021-12-27 23:14

学习学习,准谐振状态下MOS的最大耐压能达到多少倍母线电压啊

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2021-12-28 14:15

准谐振如何保证谷底电压开通的呢?

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2021-12-28 14:15

准谐振如何保证谷底电压开通的呢?

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不可说
LV.5
14
2021-12-29 00:13
@川理学子
学习学习,准谐振状态下MOS的最大耐压能达到多少倍母线电压啊

1.5倍左右就行,比如母线380V~420V,管子选用600V/650V的即可。

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不可说
LV.5
15
2021-12-29 00:16
@电源技能成长记
准谐振如何保证谷底电压开通的呢?

能保证在谷底开通的关键是设计参数要准确,尤其是反激变压器的电感值,会带入到开关周期和MOS的占空比里计算。

如果是我们设计的板子在调试的时候出现了一些寄生电感/电容的影响,需要调试修改计算的开关周期和占空比。

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dy-hBP6LUqp
LV.2
16
2021-12-31 15:25

感谢分享

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spowergg
LV.10
17
2022-01-05 20:49

变压器的漏感是不可消除的,但可以通过合理的电路设计和绕制使之减小。

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spowergg
LV.10
18
2022-01-05 20:50
@电源技能成长记
准谐振如何保证谷底电压开通的呢?

这个可以在个漏-源极电压谷底开通,也可以在第二个、第三个、第 n个漏 -源极电压谷底开通。

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xxbw6868
LV.9
19
2022-01-05 21:13
@spowergg
变压器的漏感是不可消除的,但可以通过合理的电路设计和绕制使之减小。

设计和绕制是否合理,对漏感的影响是很明显的。加气息也可以减小漏感。

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dbg_ux
LV.9
20
2022-01-05 21:24
@xxbw6868
设计和绕制是否合理,对漏感的影响是很明显的。加气息也可以减小漏感。

在变压器设计时如果采用合理的方法,可将漏感控制在初级电感的2%左右。

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lkings
LV.6
21
2022-01-22 15:09

准谐振属于比较新的电源控制技术,可以降低损耗

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2022-01-22 21:17

说到谐振,有一个小疑问,更改谐振电容C的大小,会影响电源的能量传输能力吗?或者在不改变LC谐振频率的情况下,大L小C和大C小L的组合那个能量传输能力更强

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小燕纸
LV.4
23
2022-01-22 22:44

延迟 Tr/2 时间再开通MOS管”加入到反激变换器MOS管开关周期Ts里,这样会有风险吗

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不可说
LV.5
24
2022-01-22 23:13
@lihui710884923
准谐振软开关控制的话,这个功率方面可以做到最大多少?

在光伏逆变器领域,微型的逆变器单路可以做到150W,交错并联可以做到300W,效率到96%

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不可说
LV.5
25
2022-01-22 23:15
@川理学子
学习学习,准谐振状态下MOS的最大耐压能达到多少倍母线电压啊

假设母线电压在400V左右,可以选择600V/650V的管子即可

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不可说
LV.5
26
2022-01-22 23:17
@spowergg
变压器的漏感是不可消除的,但可以通过合理的电路设计和绕制使之减小。

是这么个道理,漏感只能尽量减少。但是合理的设计漏感也能利用起来,不过难度比较大,成本会增加。

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不可说
LV.5
27
2022-01-22 23:18
@电源技能成长记
准谐振如何保证谷底电压开通的呢?

可以通过计算,将谐振的时间补偿到开关周期里。

震荡的谐振是收敛的正弦波,只要保证在谷底的时间补偿到开关周期里即可。

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不可说
LV.5
28
2022-01-22 23:19
@lkings
准谐振属于比较新的电源控制技术,可以降低损耗

其实也不算新技术,挺成熟的了。在数字电源和模拟电源都能实现了。

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不可说
LV.5
29
2022-01-22 23:20
@川理学子
说到谐振,有一个小疑问,更改谐振电容C的大小,会影响电源的能量传输能力吗?或者在不改变LC谐振频率的情况下,大L小C和大C小L的组合那个能量传输能力更强

相比较来说谐振点入C的取值比较小,不会影响。

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不可说
LV.5
30
2022-01-22 23:22
@小燕纸
延迟Tr/2时间再开通MOS管”加入到反激变换器MOS管开关周期Ts里,这样会有风险吗

你说的风险是值得管子可能损坏吗?

其实对于反激电路来说,比较省钱的就是只有一个MOS,不会出现开关周期变化导致同峭壁管子直通的情况。

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2022-01-23 12:13
@不可说
可以通过计算,将谐振的时间补偿到开关周期里。震荡的谐振是收敛的正弦波,只要保证在谷底的时间补偿到开关周期里即可。

感谢解答

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