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電源半橋拓撲電路設計分析

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電源半橋拓撲電路設計分析

一、電路的拓撲結構有哪些

buck開關型調整器拓撲 、boost開關調整器拓撲 、反極性開關調整器拓撲 、推挽拓撲 、正激變換器拓撲 、雙端正激變換器拓撲 、交錯正激變換器拓撲 、半橋變換器拓撲 、全橋變換器拓撲 、反激變換器 、電流模式拓撲和電流饋電拓撲 、SCR振諧拓撲 、CUK變換器拓撲


二、半橋逆變器設計分析

    因液晶屏本身沒有發(fā)光功能,這就需要在液晶屏后加一個照明系統(tǒng),該背光照明系統(tǒng)由發(fā)光部件、能使光線均勻照射在液晶表示面的導光板和驅動發(fā)光部件的電源構成。現在發(fā)光部件的主流為被稱作冷陰極管的螢光管。其發(fā)光原理與室內照明用的熱陰管類似,但不需象熱陰管那樣先預熱燈絲,它在較低溫狀態(tài)就能點亮,因此叫冷陰極管。但要驅動這種冷陰極管需要能輸出1000~1500V交流電壓的特殊電源。這種特殊電源稱之為逆變器。
    小尺寸CCFL(22寸以下)逆變器方案中,由于半橋架構設計簡單,成本低,應用非常廣泛,通常使用一個P+N的場效應管即可實現,其工作模式比較簡單。

    從成本和效率的角度考量,大尺寸LCD-TV逆變器的輸入逐漸改為由PFC(380V-400V)的輸出直接輸入,這就是我們所說的LIPS(LCD-TV Integrated Power Supply,液晶集成電源)方案。


   大尺寸LIPS方案逆變器采用半橋或者全橋架構,半橋架構一般采用定頻,MOSFET處在硬開關狀態(tài),這樣會導致MOSFET上面很大的開關損耗,此外這種硬開關導致的EMI必須通過相應的手段去處理才能符合EMC的規(guī)范要求。在成本上,因為逆變變壓器漏感很大,儲存的能量較大,而一般的MOSFET 體二極管反向截至的速度都比較慢,為了避免交叉導通。必須增加4顆超快恢復的二極管。       但是由于LIPS方案中,逆變器的輸入電壓為PFC的輸出電壓,通常設計其工作在最大占空比狀態(tài),即使用變壓器的漏感,匝比來控制CCFL工作電流。這樣半橋架構同樣可以實現MOSFET的軟開關狀態(tài),不僅可以獲得不錯效率,也可以順利的通過EMC規(guī)范要求。這種方式正逐漸成為LIPS方案中成本與性能兼顧的選擇。        它的主要優(yōu)點如下:
  ? 定頻下也可以實現零電壓導通
  ? 減少逆變器的EMI問題,提高轉換效率
 ?  減小散熱器面積
 ?  提高電流正弦度
  ? 不需要在橋臂上增加超快二極管
    值得注意的是這種架構由于最大能量傳輸由輸入電壓,漏感共同決定,需要當漏感Llk儲存能量續(xù)流完成前,打開開關管,這樣兩個MOSFET工作才能在軟開關狀態(tài),如下圖分析。這樣將導致半橋的軟開關只能在一個很窄的范圍能實現,由于變壓器漏感在量產時候會有20%以上的偏差,以及pfc輸入電壓和液晶屏幕的微小差別,都可能導致在量產時候,逆變器的兩顆MOSFET沒有工作在軟開關狀態(tài),過大的開關損耗導致其損壞。




三、半橋電路的運行原理及注意問題

用作橋臂的兩個電容選用問題:

從半橋電路結構上看,選用橋臂上的兩個電容C1、C2時需要考慮電容的均壓問題,盡量選用C1=C2的電容,那么當某一開關管導通時,繞組上的電壓只有電源電壓的一半,達到均壓效果,一般情況下,還要在兩個電容兩端各并聯(lián)一個電阻(原理圖中的R1和R2)并且R1=R2進一步滿足要求,此時在選擇阻值和功率時需要注意降額。此時,電容C1、C2的作用就是用來自動平衡每個開關管的伏秒值,(與C3的區(qū)別:C3是濾去影響伏秒平衡的直流分量)。

直通問題:

所謂直通,就是Q1、Q2在某一時刻同時導通的現象,此時會構成短路。

解決措施:

可以對驅動脈沖寬度的最大值加以限制,使導通角度不會產生直通。

還可以從拓撲上解決問題,才用交叉耦合封閉電路,使一管子導通時,另一管子驅動在封閉狀態(tài),直到前一個管子關斷,封閉才取消,后管才有導通的可能,這種自動封鎖對存儲時間、參數分布有自動適應的優(yōu)點,而且對占空比可以滿度使用的。

半橋電路的驅動問題:

1、原邊線圈過負載限制:要給原邊的功率管提供獨立的電流限制;

2、軟啟動:啟動時,要限制脈寬,使得脈寬在啟動的最初若干個周期中慢慢上升;

3、磁的控制:控制晶體管驅動脈沖寬度相等,要使正反磁通相等,不產生偏磁;

4、防止直通:要控制占空比上限縮??;

5、電壓的控制和隔離:電路要閉環(huán)控制,隔離可以是光電隔離器、變壓器或磁放大器等;

6、過壓保護:通常是封閉變換器的開關脈沖以進行過壓保護;

7、電流限制:電流限制安裝在輸入或輸出回路上,在發(fā)生短路時候起作用;

8、輸入電壓過低保護:規(guī)定只有在發(fā)揮良好性能的足夠高的電壓下才能啟動;

9、此外,還要有合適的輔助功能:如浪涌電流限制和輸出濾波環(huán)節(jié)等。


開關電源充電器

   半橋驅動電路的關鍵是如何實現上橋的驅動。圖2中C1為自舉電容,D1為快恢復二極管。PWM在上橋調制。當Q1關斷時,A點電位由于Q2的續(xù)流而回零,此時C1通過VCC及D1進行充電。當輸入信號Hin開通時,上橋的驅動由C1供電。由于C1的電壓不變,VB隨VS的升高而浮動,所以C1稱為自舉電容。每個PWM周期,電路都給C1充電,維持其電壓基本保持不變。D1的作用是當Q1關斷時為C1充電提供正向電流通道,當Q1開通時,阻止電流反向流入控制電壓VCC。D2的作用是為使上橋能夠快速關斷,減少開關損耗,縮短MOSFET關斷時的不穩(wěn)定過程。D3的作用是避免上橋快速開通時下橋的柵極電壓耦合上升(Cdv/dt)而導致上下橋穿通的現象。

半橋電路的驅動特點:

1、上下橋臂不共地,即原邊電路的開關管不共地。

2、隔離驅動。

本篇文章幾乎將半橋電路的大部分基礎知識都進行了總結和歸納。難得的是,還對半橋電路當中出現的問題進行了詳盡的分析,并給出了相應的解決方案。希望大家能夠全面掌握這些知識,從而為自己的設計生涯打好堅實的基礎。


四、半橋,全橋,反激,正激拓撲結構的區(qū)別和特點

1、 單端正激式
單端——通過一只開關器件單向驅動脈沖變壓器;
正激——脈沖變壓器的原/付邊相位關系,確保在開關管導通,驅動脈沖變壓器原邊時,變壓器付邊同時對負載供電。
2、 單端反激式
反激式電路與正激式電路相反,脈沖變壓器的原/付邊相位關系,確保當開關管導通,驅動脈沖變壓器原邊時,變壓器付邊不對負載供電,即原/付邊交錯通斷。脈沖變壓器磁能被積累的問題容易解決,但是,由于變壓器存在漏感,將在原邊形成電壓尖峰,可能擊穿開關器件,需要設置電壓鉗位電路予以保護D3、N3構成的回路。從電路原理圖上看,反激式與正激式很相象,表面上只是變壓器同名端的區(qū)別,但電路的工作方式不同,D3、N3的作用也不同。

3、 推挽(變壓器中心抽頭)式
這種電路結構的特點是:對稱性結構,脈沖變壓器原邊是兩個對稱線圈,兩只開關管接成對稱關系,輪流通斷,工作過程類似于線性放大電路中的乙類推挽功率放大器。
    主要優(yōu)點:高頻變壓器磁芯利用率高(與單端電路相比)、電源電壓利用率高(與后面要敘述的半橋電路相比)、輸出功率大、兩管基極均為低電平,驅動電路簡單。
主要缺點:變壓器繞組利用率低、對開關管的耐壓要求比較高(至少是電源電壓的兩倍)。

4、 全橋式
這種電路結構的特點是:由四只相同的開關管接成電橋結構驅動脈沖變壓器原邊。

5、 半橋式
電路的結構類似于全橋式,只是把其中的兩只開關管(T3、T4)換成了兩只等值大電容C1、C2。

    主要優(yōu)點:具有一定的抗不平衡能力,對電路對稱性要求不很嚴格;適應的功率范圍較大,從幾十瓦到千瓦都可以;開關管耐壓要求較低;電路成本比全橋電路低等。這種電路常常被用于各種非穩(wěn)壓輸出的DC變換器,如電子熒光燈驅動電路中。

充電器廠家


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| 發(fā)布時間:2017.07.26    來源:電源廠家
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