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深入探讨IRIS4015构成的准谐振反激式呼伦贝尔干式变压器

作者:呼伦贝尔润生干式变压器厂  来源:http://hulunbeier.7jcwi.com/  发布时间:2019-03-24
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IRIS4015系列简要原理

IRIS4015系列是一种专为准谐振工作方式的反激式变换器,其******优点是将准谐振反激式变换器的控制电路和高压MOSFET集成在一个TO-220封装中,因此不需要另外设置管。IRIS4015系列的内部原理框图如图1所示。



图1IRIS4015系列的内部原理框图


1 电路的启动与限流工作

与大多数呼伦贝尔干式变压器控制芯片一样,IRIS4015的启动仅仅需要在VCC端与母线间接一只启动电阻即可。其限流工作方式与大多数峰值电流型芯片的限流工作方式基本相同,详尽原理不再赘述。

2电压反馈模式

为了实现电压稳定,可以利用电压反馈来实现,电路如图2所示。



图2 电压控制反馈时的振荡器的工作模式

由图2可知,只要OCP/FB端电压达到0.73V,内电路就会将MOSFET关闭。那么,只要利用电压反馈控制OCP/FB端电压达到0.73V时就可以实现输出电压的稳定。如果将电压反馈信号通过光电耦合器和R2送到C5端,这样VC5将不仅是漏电流在R5上的电压,而是R5电压与反馈电压的迭加。反馈电压越强烈,其作用越大,C5电压达到0.73V的时刻就越早,而MOSFET的导通时间越短,向输出端传输的能量越小,从而实现了输出电压的稳定。

3 准谐振工作方式

实现准谐振工作方式的关键是保证主在VDS为极小值时将主开通,剩下的问题就是如何检测到这个极小值。可以采用检测辅助绕组电压的方法来快捷地检测管的漏-源极电压的极小值。具体实现方式见图3。



图3 准谐振工作模式与主要波形

变压器的储能释放尽,C4与变压器初级谐振。当变压器各绕组电压过零时,维持OCP/FB端的“高电位”消失,C5、C3将通过IRIS4015内部电路和R4、R5以1.35mA电流放电。当OCP/FB端电压下降到0.73V时,IRIS4015内部的控制电路驱动主导通,从而完成准谐振的工作模式。

在这里,C4、C5放电规律不随输入电压和负载电流变化,因此一旦C4的电容量、变压器初级电感确定,C3、C5放电到0.73V的延迟时间也随之被确定。

4 轻载工作条件的改善

由于电路工作在准谐振状态,满载时的频率大约为30kHz。随着负载的减小,变压器释放储能的时间变短,使频率上升,空载时可以达到300kHz。这时,由于IRIS4015工作在准谐振状态,因而有零导通宽度。MOSFET工作在其特性曲线的线性(或饱和)区。图4给出了典型波形。这是因为在很窄的导通脉宽下,驱动器在门极电压还上升时,使驱动输出关断,然后通过漏源之间饱和电压的上升来控制施加在变压器上的电压。当工作在轻载、准谐振模式时,就会发生上述情形,但是不会引起其他问题。显而易见,频率较高时,上升时间受准谐振电容的限制,增加了损耗,从而降低了效率。这时,在PRC模式极其有利,能保持损耗和效率在一个合理的水平。当负载变轻时,主可以不在第一个电压极小值时导通,可以在谐振的第二个极小值导通;轻载时则可以越过若干的极小值后再导通。这样就可以有效的降低轻载、空载时的频率。




图4 空载时谐振状态下的VDS波形

对于IRIS4015,可以采用图5的电路。增加光电耦合器2(它可使准谐振信号反馈起作用或失效)可以使工作模式在准谐振模式和PRC模式之间转换,即图中电路A。




图5 QR/PRC工作方式转换电路

通过增加如图5所示的电路B可使在轻载时将转换到PRC工作模式。当次级电压下降时,PNP晶体管关断使驱动绕组的电压也跟着下降,因此切断了OCP/FB脚准谐振信号反馈。一旦信号被切断,通过内部振荡器转换到PRC工作模式,工作频率也减降低到大约20~40kHz。

变压器的数据

在很多情况下,反激式呼伦贝尔干式变压器的变压器的数据是设计过程中的主要数据之一。输出24V的100W准谐振式呼伦贝尔干式变压器的工作条件为:最大的占空比Dmax=0.4;最小工作频率fmin=50kHz;周期:T=20μs;最小输入电压:VDCmin=200V;反馈电压:133V;最大导通时间:8μs。

对应的变压器的数据为:变压器铁芯型号为EER35L磁芯;变压器初级绕组匝数:66匝;变压器次级绕组匝数:12匝;辅助绕组的匝数:9匝;变压器磁路气隙:1mm;变压器磁路电感:567μH;初级线径: 0.35mm,四股并绕;次级线经:0.76mm,四股并绕。

准谐振反激式变换器的实现与测试

1 完整电路、电路板图与原件明细

一个输出100W用IRIS4015构成的准谐振反激式呼伦贝尔干式变压器的整机电路的电路图如图6,元件排布图如图7,电路板图如图8。整个设计为可以放置在山西永明呼伦贝尔干式变压器的75W呼伦贝尔干式变压器壳内。




图6 IRIS4015构成的准谐振反激式呼伦贝尔干式变压器的电路图



图7 元件排布图



图8 电路板图

2 测试数据与分析

通常呼伦贝尔干式变压器需要测试的波形主要有输出纹波电压峰-峰值和主管的漏源电压波形。前者反映了输出噪声的水平,通过后者可以判断电路的工作是否正常。

● 输出纹波电压

最大输出纹波电压峰-峰值发生在输入电压最高的状态下,因此测试到最高输入电压下的输出纹波电压能符合要求,其他电压下则均能符合要求。用100MHz带宽数字示波器F105B测试输出纹波电压,得满载时的纹波电压峰-峰值为88mV。如果用20MHz通用示波器,测得的结果将更低。

输出纹波电压波形表明准谐振工作状态下,管的导通与关断过程中所产生的dv/dt、di/dt和电磁干扰被大大减小,可以明显减小输出电压纹波。

● 漏源电压波形

通常,管的漏源极电压波形在最高输入电压时处于最恶劣状态,因此,最高输入电压时的漏源极电压波形就基本可以了解电路的工作状态。测试结果如图9(a)、图9(b)、图9(c)所示,分别为PRC工作状态下的空载漏源极电压波形和轻载、满载时的漏源极电压波形。



(a)空载状态 (b)轻载状态 (c)满载状态
图9 输入电压为245V时的源/漏电压波形

从图中可以看到,空载时管的导通时间几乎为零,导通了就立即关断。由于采用PRC控制方式,空载的频率约为20kHz。有效的降低了管的损耗(这里主要指的是管的开通过程的损耗)。

轻载时,由于电路进入准谐振状态,频率比较高,约为100~110kHz左右,但是仍然比准谐振状态的300kHz低。管开通损耗处在可以接受的比较低的功耗水平。

满载时电路工作在准谐振状态,频率大约为30kHz左右(在最低输入电压时,管的开通时间将比最高输入电压时长约40%,方能获得到相应的储能),管的源漏峰值电压最大值为564V,可以推算出输入264V时的管的源漏电压不会高于600V,低于650V额定电压,为正常工作状态。

从上述三个图中可以看到,无论是PRC还是准谐振工作状态,管的开通均在管漏源极电压波形的极小值时刻。这样就确保了管工作在“准谐振”状态。

● 变压器漏感对管源漏电压波形的影响

变压器漏感对管源漏电压波形的影响越大,漏感越大,源漏电压尖峰越高。因此,要尽可能地降低变压器的漏感。除了采用初级包围次级的漏感绕制方法外,还可通过提高磁路的相对导磁系数μ值来实现。提高μ值最有效的方法就是减小气隙,可以通过选用较大的磁芯有效面积来减少绕组的匝数来实现。如果有条件,可以采用三相漆包线,这样就可以免除初次级之间的隔离间距、减少或取消隔离胶带的层数,提高初次级之间的耦合系数。

● 效率测试

呼伦贝尔干式变压器的效率是衡量呼伦贝尔干式变压器性能的一个重要标准。呼伦贝尔干式变压器具有效率高的优点,但通常情况下,反激式呼伦贝尔干式变压器的效率都低于85%。输入电压不同时,呼伦贝尔干式变压器的效率也不同。测试结果如表1。


表1 输入、输出的电流、电压值

输出整流器选用100V耐压的肖特基二极管,则效率可以超过90%。从所测试的效率看,由于“消除”了管的关断损耗和缓冲电路的损耗,使电路的效率提高至少5%~8%。这样,即使IRIS4015没有散热器,也不会过热。在整个电路中最热的是变压器,温升大约40℃。如果选用更合适的磁芯,则可以降低变压器的损耗和温升。同时,由于管和输出整流器可以不用散热器,电路结构设计将变得更为简单。

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