基于LM5025的大功率有源箝位逆变电源

1　引 言
　　正激变换器由于拓扑的简单性，被广泛的应用在电源行业，但是变压器开关关断时需要磁复位【1】。一般都是用第三复位绕组、RCD箝位电路以及LCD缓冲器等，但是由于这几种复位方式都有其自身的缺点导致正激变换器不适用于大功率和高频场合。

　　和这些传统的复位方式相比，有源箝位有许多优点：①变压器对称双向磁化，工作在B-H曲线的第一和第三象限，变压器得到充分利用；②箝位开关管是零电压开关，主开关管虽然不容易实现零电压开关，但是由于有箝位装置和缓冲电容使得其开通与关断时的电压应力大大减小；③励磁能量和漏感能量全部回馈电网，占空比可以大于0.5。

　　以前，由于有源箝位专用IC较少，实现起来比较困难，限制了有源箝位的广泛应用。近年有源箝位与同步整流的结合，更是大大促进了有源箝位在低电压输出场合的应用。随着国际上相关专利的到期以及专用IC的发展，有源箝位的技术必将得到越来越广泛的应用。本文在此基础上，利用NS最新推出的有源箝位专用芯片LM5025研制了一台单相220V输入，输出为24V/120A的大功率逆变电源。

2　有源箝位正激变换器工作原理

　　为了方便分析，做如下假设：Lf足够大，对负载可认为是恒流源；所有的半导体器件都是理想器件；变压器是变比为n的理想变压器；主开关管S1只有漏源极间的电容C1,其他寄生参数不考虑；箝位开关管仅有反并二极管，其他寄生参数不考虑；箝位电容Cc足够大箝位电压基本不变，原理图如图1所示。下面分为10个工作区间分别论述，各区间工作波形如图2所示。

　　t0-t1:t0时刻，S1导通，它是硬开通，此时D3和D4同时导通，ip快速上升。

　　t1-t2:t1时刻，D4关断，ip以一个缓坡上上升。此时箝位管漏源极间电压U-S2为箝位电压Uin+Ucc。

　　t2-t3:t2时刻，S1关断，由于有C1的存在，主开关管S1漏源极间电压U-S1缓缓上升，可以减轻S1关断时的电压应力；同时U-S2就在缓缓下降，由于变压器原边电压还处在正向状态，故ip仍在缓缓上升。

　　t3-t4:t3时刻，U-S1升至Uin，变压器开始承受反向电压，副边D3和D4同时导通，ip开始快速下降，U-S1继续上升。

　　t4-t5:t4时刻，U-S1升至箝位电压Uin+Ucc，二极管D2开始导通给箝位电容Cc充电，此时箝位开关管S2漏源极间电压为零。

　　t5-t6:t5时刻，S2零电压开通，但是由于此时电流方向仍是给Cc充电，故S2中没有电流流过。

　　t6-t7:t6时刻，副边反向电压致使D3完全关断，副边电流依靠D4续流；原边电流ip以更加缓慢的速度减小。

　　t7-t8:t7时刻，原边电流降为零，由于箝位电压高于Uin电流开始反向缓缓增加；这些电流全部来自箝位电容，由于Cc足够大，可以认为箝位电压基本不变。

　　t8-t9:t8时刻，S2关断，icc变为零，原边电流通过抽取C1维持，由于有缓冲电容C1的存在且此时电流很小，故箝位开关管S2是零电压关断。

[page]　　t9-t10:t9时刻，主开关管S1漏源极间电压降为Uin,变压器开始承受零电压，D3和D4同时导通；如果谐振参数调整合适也可以让S1实现零电压开通，从t10时刻S1导通开始进入下一个循环。

3　主电路参数设计

3.1 最大占空比的确定
　　
　　由变压器的伏秒积平衡原理可知

　　为使箝位电压不是太高，令,则最大占空比Dmax=0.6

3.2 功率变压器设计
　 
　　由于有源箝位变压器的激磁电压是双向矩形脉冲，且其工作于B-H曲线的一三象限，磁感应变化量△B=2Bm,所以其铁心的利用率高【2】。下面基于AP法来设计有源箝位逆变电源的变压器，选用2KB系列EE型铁氧体磁芯，其饱和磁通密度Bs=510mT,剩余磁通密度Br约为110mT。实际工作磁感应强度Bm＝1/3Bs＝170mT，导线电流密度J取300A/cm2,窗口使用系数Ko取0.4，波形系数Kf取4（按照方波取）,频率fs=25KHz, 输入电压为300±40V,最大占空比为0.6，变压器变比为5，实际变压器取0.8，把这些参数带入公式（1）、（2）计算后与我们实际得视在功率

　　然后查表选择EE110磁芯，其完全满足要求。下面来计算初级线圈匝数N1:

4　控制电路设计
　 
　　本次设计采用了NS公司最新推出的电压模式的有源箝位专用芯片LM5025,其输入工作电压从13V到100V，由内部偏压调整器取代了外部偏压调整器，用户可编程振荡器频率可达1MHz,独特的栅极驱动技术使得驱动电流可达3A,可以直接驱动大功率的MOSFET。LM5025还带有可调滞后的用户编程的欠压锁定电路和双模式过流保护电路，同时还有变压器最大伏秒积限制和振荡器同步性能【3】。
　 
　　LM5025的频率设定是依靠外部电阻Rt，，F就是我们要设定的频率，单位是KHz,Rt的单位是；LM5025还有信号同步功能，外部时钟信号最低可以比内部振荡器低20％，最高没有限制；如果将Rt接至REF脚，则内部振荡器完全不起作用，同步时钟信号没有限制，输出完全由外部时钟控制；若不需外部同步的话要将SYNC接地，防止外部干扰信号。
　 
　　LM5025既可以用于N沟道有源箝位也可以用于P沟道有源箝位，当用于P沟道时是要进行重迭时间设定，此时Rset要接当用于N沟道时是要进行死区时间设定，此时Rset要接REF，其中的Rset单位都是。

　　LM5025还有欠压锁定功能，把Uin经分压以后接至UVLO脚，保证在输入电压允许范围内UVLO脚的电压都大于2.5V，一旦此脚电压低于2.5V，LM5025锁定，处于待命状态，因而也可以通过UVLO脚实现对变换器的远程关断/开通控制。
　 
　　LM5025继承了UCC3580等有源箝位控制芯片的变压器最大伏秒积限制功能。也可以用来限制最大占空比，当Uin通过Rff给Cff充电达到内部参考电压2.5V时，将会关断主开关管，Cff内的电荷在Ton结束时或其达到2.5V时被内部的FET放掉，哪一个事件先发生就以哪一个为准。其中关系为

在确定了Tonmax和Uin以后，选定一个Cff，就可以求出Rff，Cff的取值范围一般在100pF到1000pF之间。
　 
　　LM5025具有两种电流保护模式CS1和CS2，一旦通过电流传感器反馈在CS1脚电压超过0.25V，控制器将会停止当前的驱动信号（也就是逐周期电流保护模式）；若是反馈到CS2脚的电压超过0.25V，控制器也会停止当前的驱动信号，并且给软启动电容Css放电至零，之后限制充电电流为1uA，在Css充电到大约1V时开始输出第一个触发脉冲，再然后充电电流恢复到20uA（正常充电电流），这也就是所谓的打嗝模式，一般在变换器严重过流时使用[4]。
　 
　　依据LM5025的这些特性我们设计了如图3所示的控制电路。

图3 有源箝位控制电路

[page]5　仿真与实验

　　在理论分析以后我们用仿真软件对主电路做了仿真，又通过试验验证了理论的正确性。仿真和试验的条件是：单相220V输入整流滤波，主开关管和辅开关管都是G40N150D,箝位电容5uF，工作频率25KHz,占空比0.4。仿真及实测波形如图4所示:

（a）仿真原边电流ip和辅管驱动波形 （b）仿真辅管实现零电压波形

（c）仿真主开关管漏源极间波形 （d）实测辅管实现零电压波形

（e）实测原边电流ip波形　（f）实测主开关管漏源极间波形
图4　仿真和实测波形

6　结 论

　　（1）对有源箝位电路工作原理和波形进行了分析，并通过软件仿真进行了理论验证；

　　（2）分析了有源箝位专用控制芯片LM5025特性和功能，并在此基础上设计了基于LM5025的控制系统；

　　（3）通过试验验证了有源箝位在大功率逆变电源上应用的可行性，并给出了实测波形，由实测波形可以看出，主开关管漏源极间电压得到有效箝位，辅开关管实现了零电压开关。


参考文献

[1]彭国平等.有源箝位正激变换器的分析与设计[J]. 电工技术杂志，2003(10):29-33
[2]李启明，严仰光.正激变换器脉冲变压器的优化设计[J].南京航空航天大学学报，2001（4）：372－374
[3]马国胜.LM5025有效钳位PWM控制器及其应用[J].电源世界，2005（2）：47－50
[4]National Semiconductor公司产品资料.