RCC自激變換器的分析與設計

劉傳洋，劉景景

（池州學院，安徽 池州247000）

RCC變換器是一種自激型反激變換器，開關頻率隨電網(wǎng)電壓和輸出負載變化，結(jié)構(gòu)簡單，不需振蕩電路，無直通現(xiàn)象，工作在臨界工作狀態(tài)，采取自激振蕩方式來實現(xiàn)峰值電流控制。RCC能高效地提供多路輸出，電路元件全部由分立式元件構(gòu)成，具有抗干擾能力強、工作穩(wěn)定可靠、電壓升降范圍寬等特點［1］，是容量低于50 W的電源經(jīng)常使用的變換器，被廣泛應用于手機充電器以及筆記本適配器等設備。同時，RCC變換器還可以用于多電平逆變器的開關驅(qū)動［2］。

1 電路工作原理分析

圖1 RCC變換器基本電路

RCC變換器基本電路［3］如圖1所示。該電路由以下幾個部分組成：啟動、正反饋電路、過流檢測、穩(wěn)壓、電壓檢測及反饋、穩(wěn)壓、過流控制環(huán)節(jié)。

RCC變換器與普通PWM控制器不同，它是通過變頻控制來實現(xiàn)輸出的穩(wěn)定。頻率公式為：

式中，Uin是輸入電壓；n為變壓器原副邊匝比；Po為輸出功率；LP為變壓器原邊電感；Io為負載電流；D為占空比。從式（1）可以看出：輸入電壓越高、負載越輕，工作頻率越高；輸入電壓越低、負載越重，頻率越低。這可以從變壓器初級電感儲能的原理來解釋：當負載很輕時，需要很小的能量來維持輸出電壓，輸入電壓很高時，只要很短的導通時間就可以儲存所需的能量；相反地，輸入電壓低、負載重時，需要較長的導通時間來儲存所需要的能量。

2 RCC變換器的小信號模型

在保證系統(tǒng)穩(wěn)定工作的前提下，為了達到精確的輸出電壓調(diào)節(jié)和良好的動態(tài)性能，需要準確設計補償環(huán)節(jié)的CEA1，CEA2和REA1［4－6］。然而，誤差信號放大器補償?shù)淖顑?yōu)設計需要閉環(huán)控制系統(tǒng)中的小信號傳遞函數(shù)知識。RCC變換器工作在一個可變頻率，為了得到閉環(huán)控制系統(tǒng)的最優(yōu)設計，電路可簡化為僅包含一些在反饋控制電路中起作用的電路元件，小信號模型等效電路如圖2所示。

圖2 RCC變換器小信號等效電路

圖3 RCC變換器傳遞函數(shù)圖

基于以上等效電路，可以得到RCC小信號模型傳遞函數(shù)結(jié)構(gòu)圖，如圖3所示。由圖2 RCC小信號等效電路圖可以得出輸出電壓控制傳遞函數(shù)GUeUo（s）＝Uo／Ue，輸出電壓增益函數(shù)Kd＝Ui／Ue，誤差信號放大器傳遞函數(shù)GUEA（s）＝UEA／Ui，跨導增益函數(shù)G1（s）＝iEA／UB，光耦輸入換能增益函數(shù)G2（s）＝i2／iEA和傳遞阻抗增益函數(shù)G3（s）＝Ue／ie。結(jié)構(gòu)圖合并傳遞函數(shù) 方 程 GUeUo（s）、G1（s）、G2（s）和 G3（s），方 程GUeUo（s）＝Uo／Ue進一步簡化，其中

式中，TINNER＝G1G2G3GUeUo（s）。

正如公式（2）所示，傳遞函數(shù)GUEAUo（s）的低頻增益小于1。同樣，傳遞函數(shù)GUEAUo（s）的極值在內(nèi)循環(huán)TINNER的帶寬之內(nèi)，被移到關系到功率級間傳遞函數(shù)的更高頻率，其中功率級間傳遞函數(shù)的零點位置由于內(nèi)部循環(huán)的存在不發(fā)生改變。

3 仿真分析與結(jié)論

根據(jù)以上對RCC自激變換器的工作原理和小信號模型的分析，設計了功率為20 W的以MOS管為開關管的電壓型驅(qū)動RCC電源電路，輸入交流150～220 V，輸出為15 V和5 V兩路。結(jié)合RCC變換器的小信號模型和小信號模型傳遞函數(shù)的分析，對RCC電路的部分元件進行了優(yōu)化設計，RCC變換器的原理圖如圖4，利用Saber軟件建立了如圖5的仿真模型。

圖4 RCC變換器原理圖

圖5 RCC變換器仿真模型

根據(jù)仿真模型對RCC變換器進行仿真，在輸入電壓Uin為300 V的情況下得到仿真波形如圖6所示。仿真波形分別給出了輸入電壓和輸出電壓波形。圖6仿真時間為10 ms RCC變換器工作過程波形，從圖中可以看出變換器具有良好的動態(tài)特性。

圖6 RCC變換器的仿真波形

仿真結(jié)果表明，RCC是一種單端反激式的電源變換器，其主要缺點是：主開關管關斷時承受的電壓較高、變換器效率較低、輸出紋波較大。但它的優(yōu)點比較突出，其電路成本較低，同時電路構(gòu)成相對比較簡單。另外，RCC在空載時，會出現(xiàn)間歇振蕩，還可以起到節(jié)能的作用。因此這種RCC變換器具有很強的工程實用性。

［1］ Brian T Irving，Milan M Jovanovic.Analysis and Design of Self– Oscillating Fly－back Converter［J］.IEEE A PEC P roc.，2002，（3）：897－903.

［2］ 王 偉.用于多電平逆變器開關驅(qū)動的RCC變換器［J］.電氣開關，2007，（4）：13－15.

［3］ 張占松.開關電源的原理與設計［M］.北京：電子工業(yè)出版社，1998.

［4］ Billings K.Switch mode power supply handbook ［M］.New York：Mc Graw－Hill，Inc.，1989.

［5］ Hayes L，Spangler J.Pair of controller ics provide critical conduction switching power supply with voltage and current li miting ［J］.Power Conversion and Intelligent Motion（PCI M）Magazine，2000，11：42－50.

［6］ Lempinen J，Suntio T.Small－signal modeling for design of robust variable－frequency flyback batter y chargers f or portable device applications［C］.IEEE Applied Power E－lectr onics Conf.（APEC）Proc.，2001，3：548－554.