推挽拓扑输出功率及输入电压的限制

 新闻资讯     |      2020-03-02 15:28
推挽拓扑输出功率及输入电压的限制
       推挽电路除了磁通不平衡的问题外(在电流模式推挽拓扑中则不存在这种问题),电源适配器输出功率会受到式的限制,而输入电压会受到式的限制。
       式给出了不同额定输出功率下对开关管峰值电流的要求,式给出了对应最大直流输入电压下的开关管最大电压应力。当采用双极型晶体管时,这两个条件限制了推挽拓扑的最大功率约为500W。高于这个功率等级,则很难找到能同时满足峰值电流和电压应力要求的双极型晶体管,并且具备足够的增益和响应速度。
       电源适配器研发技术总是不断进步的,具有足够高电压和电流定额且具有足够低导通压降的高速MOFET开关管将延伸推挽变换器功率等级的应用范围。
       为此,下面将讨论通信用一次电源适配器供电的400W推挽变换器,供电电源适配器额定输出、最小输出和最大输出电压分别为48V、38V和60V。
       由式可知,所需最大值电流为   。由式可知,最大关断电压应力为。考虑一定的安全裕量,则开关管耐压至少应为200V。
 
       该电源适配器的开关管,可采用双极型晶体管MJ13330。它的额定幅值电流、额定Vceo和额定Vcev(基极反向偏置电压为-1~-5V时,可以承受的关断瞬间的电压值)分别为20A、200V和400V时,可满足幅值电流和电压应力的要求。
工作于16A时,该开关管的最大导通电压约为3V,最小增益约为5,存储时间为1。3~4us。由于这些限制,开关管的开关损耗和直流导通损耗都很大,处理磁通不平衡也有困难(除非使用电流模式推挽拓扑),且由于存储时间过长,很难工作在频率为40kHz以上的电路中。
       该笔记本电源若使用MOSFET管,可选MTH30N20型。它的额定电流为30A,额定电压为200V路中。在16A时,其导通压降为1。3V,因此其直流导通损耗是前面双极型晶体管的一半。因为电流下降很快,所以交叠开关损耗可以忽略,但是其价格(包括其他同类型的功率器件)要贵一些。
       对于离线式变换器来讲,很少采用推挽拓扑结构,因为其最大关断电压应力为例如,120V交流输入,设网压波动范围为±10%,其整流电压峰值为1.41×1.1x120=186V。加上漏感尖峰顶部,其最大关断电压应力为2.6×186=484V。
另外还必须考虑在稳态最大值上叠加瞬态值的情况。商用电源适配器中很少规定具体瞬态值,但在实际中电源适配器一般设定瞬态应力值是在稳态最大值的基础上增加15%。这使得最大应力达1.15×484=557V。
       某些特定场合,输入电压瞬态值比稳态最大值的15%还要大。例如,军用飞行器的交流输入标准由“军标704做了明确的规定。此处,对于额定电压为113V的交流输入,10ms内其允许的瞬态值为180VAC。在瞬态值为180VAC时,根据式,最大关断电压应力为180×1.42×2.6=660V。尽管市面上有很多快速双极型晶体管能够承受850V的反压,但在这么高的瞬态电压下采用这种拓扑显然不是一种很好的选择。
还有些电源适配器拓扑结构关断时开关管只需承受最大直流输入电压,并且没有漏感尖峰。对于高压及离线式场合它们是更好的选择,不仅因为它们的电压应力较小,还因为它们关断时电压变化较小,产生的电磁干扰(EMI)也比较低。     

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