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RCC式开关电源----上海诺易直流电源

RCC电路原理简单,由开关变压器和主开关管谐振产生振荡,副开关管可以调节占空比,以此调节输出电压。但是RCC电源的占空比、工作频率随使用环境和内部参数的变化而改变,使得开关管控制极的电流驱动波形难以确定,给器件参数选定,尤其是变压器的设计带来困难。传统设计主要有诺模图法和磁芯面积乘积AP计算校验法。这两种方法在定频率计算中较实用,但若未知频率,将不能用以上两种方式设计。传统的方法是给RCC电源预设一频率,然后设计变压器。但因变压器参数直接影响到电源的工作频率,所设计的变压器工作频率经常与预设频率相差太大而不能正常工作;电源参数需多次重复设计,导致初期设计计算量大,而且该“拼凑法”在后期调试中,实际频率很难与理论值吻合,导致电源不能工作在设计的最佳状态。

本文推导出频率计算公式,并得出频率与输入电压成正比,与负载电流、初、次级电感量成反比。在确定的输入电压和已知的最大输出功率下,根据电源给定的输入电压、输出电压、额定工作频率和占空比直接求取变压器的初、次级匝数,一次设计就能确定变压器所有参数,解决了高频变压器设计中需要反复设计与验证的问题。基于该方法设计了一台5V/10A的开关电源(上海诺易直电源),并对电源的工作频率、占空比等参数进行了验证。

1 RCC原理

1.1 RCC原理 电路如图1,上电后,C3两端电压使电流经起振电阻R1,R2,驱使主开关管Q1导通,随着Q1导通,经由反馈电感T1的反馈信号加强对Q1控制极正向驱动,使Q1迅速导通。因感应电动势与电流变化率成正比,当变压器初级电流最大(饱和导通)时,T1’两端电压为0,Q1退出饱和状态开始关断。此时,T1’感生反向电动势,加速Q1关断,同时饱和状态R4两端电压驱使Q2开通,并将Q1控制极短路,使Q1关断,经起振电阻R1,R2重新使Q1导通,依此循环。RCC电路始终工作在临界导通模式,不会出现反激变换中的连续能量传递模式,其初级电流始终都是一个锯齿形三角波形,而不会出现梯形波。RCC电路调节电压的输入方式是通过控制初级峰值电流来实现的。

1.2 自振荡频率计算

由式(10)可知,振荡频率f随u1的升高而升高,随输出电流i2、初次级电感量L1,L2的增大而减小。根据式(8),式(10),可确定变压器的初、次级电感L1,L2,它们是检验电源能否达到设计要求的重要参考。

2  设计实例

基于频率计算法设计了一个50 W的RCC开关电源(上海诺易直电源),其原理图如图2所示。为了图面清晰,图中未画出工频滤波和整流电路。该电源采用典型RCC拓扑结构,其整流、滤波、缓冲吸收电路、电压负反馈电路、过流控制的设计可参照文献。

2.1 选择磁芯

所设计的电源最大输出功率为Pout=50W,所需的输入功率Pin=Pout/η,预计效率为0.8,以时变压器能承载的最大功率应不小于62.5 W。若设计的电源最低工作频率不低于50 kHz,查磁芯参数表知,EE30磁芯在50 kHz时最大输出功率为64 W,能满足所需功率的要求,其磁芯有效截面积Ae=109mm2。

由于次级最大平均电流为10 A,设计占空比D为0.3,则输出瞬时极限电流I2max=28.57 A,由式(6)解出次级电感量L2=2.45μH。同理可以得出初级极限电流Imax=1.34A,初级电感量L1=1.39mH。由式(4)知N1=106。

2.4 磁芯窗口空间校验

查相应磁芯参数表知,EE30磁芯的窗口面积Aw=73.35 mm2,若窗口使用系数取推荐经验值0.4,则0.4Aw=29.34 mm2>Aw1,磁芯空间可以容下绕组。

2.5  气隙计算

式中:μ0为真空中磁导率,所有量均为已知。计算得Lg=1.26 mm。由于磁芯为EE型对称安装,磁芯气隙均分到磁芯所留空隙中,EE30磁芯安装时,需要保留Lg/2=0.63mm的间隙。变压器的主要参数如表1所示。

3 实验结果及分析

输出电流为10 A时初级电流i1和次级电压u2如图3所示。从数字示波器的波形可以看出,此时的占空比D为0.31,与设定的占空比相差3.33%,频率f为47.6 kHz,与设定频率相差3.93%。这是由于高频变压器次级线圈取整引起的,通过调节磁芯气隙可以简捷调节变压器初、次级线圈的电感值,使各项指标与理论值相吻合。因误差不大,该设计中没有做此调整。

采用自耦变压器调压,测得在母线电压降低为250 V,次级电流保持10 A时次级电压如图4所

此时的占空比D为0.36,频率f为40 kHz,说明RCC变压器工作占空比随输入电压的减小而增大,工作频率随输入电压的减小而减小。将u1=250 V代入占空比计算式(8)和频率计算式(10),求解得出D=0.343,f=40.7 kHz,实际工作占空比与理论值相差5.56%,工作频率与理论值相差1.72%。输入直流电压为300 V,输出电流为5 A时,变压器次级线圈电压如图5所示。

此时的占空比D为0.3,频率f为100 kHz,说明当改变输出电流值时,电源的工作占空比并没有发生变化,占空比与输出电流大小没有关系。而工作频率随输出电流的减小而线性增大。将io=5 A代入占空比计算式(8)及频率计算式(10),求解得出D=0.3,f=92 kHz,工作频率与理论值相差8.69%。

4 结语

RCC电路通过变压器初级线圈与开关管谐振产生自振荡,在输入电压和负载一定时,振荡频率受初、次级电感量的影响较大。因RCC工作频率可变,而过低频率将导致磁芯磁饱和,因此设计RCC变压器时必须留有气隙,以增大磁阻,防止磁芯饱和。与普通变压器工作方式不用,RCC变压器初、次级线圈相当于储能电感,加之变压器磁芯装配预留气隙产生的漏感以及缓冲网络引发的损耗,不能简单用初级的压匝比求次级匝数。为此,本文提出了一种用于RCC开关电源(上海诺易直电源)设计的频率计算验证方法,可以根据变压器的输入电压、输出电压、工作频率和占空比等参数直接计算变压器的相关参数。依照该方法设计的电源不需重复设计和校验即可工作在预设的状态,解决了RCC变压器需反复设计的问题。基于该方法设计了一台实验样机,实验表明,其工作状态与设定状态基本一致,说明用变压器匝数直接计算法设计RCC电源是可行和有效的。本文推导出了Rcc电源的工作频率、占空比与变压器初、次级电感量、输入电压、输出电流的关系,为RCC式开关电源(上海诺易直电源)的设计和调试提供了依据。

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