一種新型倍流整流方式ZVS三管推挽直流變換器

田立豐，何朋，陳杰，宋志成

(南京航空航天大學 自動化學院， 江蘇 南京 210016)

0 引言

隨著直流電源技術(shù)不斷發(fā)展，其軟開關(guān)技術(shù)的研究不斷深入。通過實現(xiàn)軟開關(guān)的方法，可以減小開關(guān)損耗，降低電磁干擾，提高功率密度。在此領(lǐng)域研究較多的為移相全橋軟開關(guān)技術(shù)。推挽電路具有結(jié)構(gòu)簡單，適用于大電流輸入場合的優(yōu)點，但其軟開關(guān)技術(shù)研究相對較少。研究較多的有推挽正激變換器、增加諧振環(huán)節(jié)的推挽變換器、有源箝位推挽變換器等。

推挽正激變換器變換了常見推挽結(jié)構(gòu)繞組的位置，在開關(guān)電路串入電容控制關(guān)斷時刻的電壓上升率。它能很好完成開關(guān)管在關(guān)斷時刻對其電壓尖峰的限制，缺陷在于沒有實質(zhì)解決開關(guān)管的軟開關(guān)問題。

諧振推挽變換器是在副邊加入一個LC諧振單元。當LC諧振單元工作周期近似開關(guān)管開通時間時[1]，開關(guān)管能夠完成零電壓開通和零電流關(guān)斷，但這導致了輸出電壓不可調(diào)。

有源箝位推挽變換器是在有源箝位正激電路拓撲中添入2個開關(guān)管和箝位電容[2]。其電路雖然能夠?qū)崿F(xiàn)主管和輔助管的軟開通，但箝位電路的加入抑制了主開關(guān)管開通時間，且輔助開關(guān)管驅(qū)動電路需隔離，結(jié)構(gòu)較復雜。

本文提出一種新型倍流整流方式ZVS三管推挽直流變換器[3-4]，其拓撲是在傳統(tǒng)推挽變換器一次側(cè)中點與輸入電源之間增加1個輔助開關(guān)管；二次側(cè)采用倍流整流電路。電路具有結(jié)構(gòu)簡單，能夠適用于大電流輸入輸出應(yīng)用的特點，且變換器主開關(guān)管能在寬負載范圍下實現(xiàn)ZVS[5]，輔助開關(guān)管可以在一定負載下實現(xiàn)ZVS。最后研制了一臺額定輸出功率250 W(50 V/5 A)的樣機，并通過實驗結(jié)果證明了上述結(jié)論。

圖1 倍流整流三管推挽直流變換器拓撲

1 電路工作原理

電路拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中S1-S3為功率開關(guān)管，D1-D3和C1-C3分別為S1-S3的寄生二極管以及結(jié)電容，Llk1和Llk2為變壓器的漏感；DR1與DR2是副邊整流二極管。Lf1與Lf2是兩個濾波電感，Co是輸出濾波電容，RLd為負載。為了便于分析，先做如下假設(shè)：1) 功率管與整流二極管均為理想器件，功率管S1-S3寄生電容C1=C2=C3=Coss；2)Lf1=Lf2=Lf；3) 變壓器匝比為NP1/NS=NP2/NS=n，漏感Llk1=Llk2=Llk，勵磁電感較大，勵磁電流忽略不計；4) 輸出濾波電容Co足夠大，看成一個電壓為Uo的恒壓源，其中Uo是輸出電壓。

圖2 各模態(tài)工作原理圖

1.1 開關(guān)模態(tài)1[t0-t1] (圖2(a))

在t0-t1階段，功率管S1與S3共同導通。原邊電流流過輔助管S3、變壓器原邊繞組及開關(guān)管S1。整流二極管DR2導通，DR1截止。能量由原邊傳向副邊并向負載供電。濾波電感的電流iLf1，iLf2與原邊電流i3分別為：

(1)

1.2 開關(guān)模態(tài)2[t1-t2] (圖2(b))

t1時刻，關(guān)斷開關(guān)管S3。S3的關(guān)斷使得原邊電流轉(zhuǎn)移，由C3與C2兩條支路提供，結(jié)電容C3充電，C2放電，變壓器原邊電壓下降。在此模態(tài)中，由于Lf1的值很大，因此，iLf1基本保持不變，可視為一個恒流源ILf，因此，ILf(t1)/n近似不變且給電容C3，C2充放電。C3兩端的電壓uds3近似線性上升，C2的電壓uds2近似線性下降，變化為：

(2)

為了維持變壓器磁能不變，即ILf(t1)/n不變，電流i1與i2因i3的下降而下降，t2時刻，i3下降到0，i1與i2的大小為：

(3)

此模態(tài)下，變壓器副邊仍然由DR2導通續(xù)流。t2時刻，C2兩端的電壓下降為0，S2兩端反并聯(lián)二極管D2自然導通，變壓器電壓us下降為0，此模態(tài)結(jié)束。

1.3 開關(guān)模態(tài)3[t2-t3] (圖2(c))

在t2時刻，D2導通后，S2可實現(xiàn)零電壓開通。雖然此時S2導通，但S2并沒有電流流過，i2從D2中流過。在此階段中，變壓器原邊電壓下降為0，變壓器副邊電壓也為0，使得副邊DR1與DR2共同導通續(xù)流，變壓器副邊電流is因DR1的導通續(xù)流而減小。iLf1與iLf2的變化為：

(4)

此模態(tài)，等效電路如圖2(g)所示，由等效電路可知，原邊電流i1，i2的大小為：

(5)

式中：uf為反并聯(lián)二極管的等效壓降，rt為S1與S2的通態(tài)電阻及變壓器原邊繞組電阻之和。在這個開關(guān)模態(tài)中，電流iLf2線性下降，并且為負。在t3時刻，-iLf2=is，DR2值=0，DR2關(guān)斷，整流二極管DR1與DR2完成換流。

1.4 開關(guān)模態(tài)4[t3-t4] (圖2(d))

t3時刻，副邊二極管完成換流，DR2關(guān)斷，DR1導通流過全部負載電流，變壓器原副邊繞組電壓仍然為0，原邊狀態(tài)與模態(tài)3一樣，D2與S1繼續(xù)導通續(xù)流。兩個濾波電感的電流線性下降，下降斜率與式(4)一樣，原邊電流i1與i2的變化為：

i1(t)=-i2(t)=-iLf2(t)/n

(6)

1.5 開關(guān)模態(tài)5[t4-t5] (圖2(e))

t4時刻，關(guān)斷功率管S1，由于C1的作用，S1為ZVS關(guān)斷。ILf2(t4)/n給C1充電，同時給C3放電，由于值很大，而ILf2基本保持不變，因此ILf2(t4)/n可認為是一個恒流源，則有C1與C3上的電壓uds1，uds3分別為：

(7)

t5時刻，C3上的電壓降低到0，D3實現(xiàn)自然導通，這樣為S3自然開通創(chuàng)造了ZVS條件。

1.6 開關(guān)模態(tài)6[t5-t6] (圖2(f))

D3導通后，可以實現(xiàn)S3零電壓開通，雖然此時S3已開通，但S3不流過電流，i3由D3流過。在此模態(tài)中，iLf1下降，iLf2增加，但是這段時間里iLf2為負，因此，原邊電流i2，i3跟著反向增加。t6時刻，iLf2由負向增加到0，這時，is=0，原邊電流也反向增加到0，二極管D2，D3自然關(guān)斷，功率管S2，S3開始流過電流。

此后變換器開始另一半周期[t6-t12] ，變換器的工作狀況類似于前半個周期[t0-t6] 。

2 軟開關(guān)情況分析

根據(jù)開關(guān)模態(tài)2對主管S1和S2的ZVS進行分析。S1與S2均在S3關(guān)斷后開通，副邊濾波電感能量需要足夠大，才能使得S3的并聯(lián)電容電壓從0充電至Uin并且將主管的并聯(lián)電容電壓從2Uin放電至0，實現(xiàn)ZVS開通。由于變換器原邊漏感要遠小于副邊電路中的濾波電感，因此，此處忽略其影響，因此主管實現(xiàn)ZVS開通的近似條件為：

(8)

由于Lf一般取值比較大，因此主管很容易能夠在全負載范圍的情況下滿足ZVS開通條件。

根據(jù)開關(guān)模態(tài)3對副管S3的ZVS進行分析。此時原邊電壓器的電壓被鉗位為0，原邊中Llk1、Llk2和結(jié)電容C3、C2產(chǎn)生共同諧振的情況，uds2的值隨伴隨諧振上升，uds3的值隨諧振下降，如果漏感能量足夠，在t4時刻，uds2的大小上升到Uin，uds3的值下降為0，從而使得D3導通，為輔助管S3的ZVS開通創(chuàng)造條件，此時需滿足：

(9)

從式(9)中不難看出，當漏感的取值較小或者負載較輕時，輔助開關(guān)管S3難以滿足ZVS開通的條件。由此可采用加大變壓器漏感的方式使輔助主管容易達寬負載下ZVS開通。除此之外，也可以通過插入一些輔助網(wǎng)絡(luò)來讓輔助開關(guān)管S3在不同的負載范圍下實現(xiàn)ZVS。

3 實驗結(jié)論

為驗證原理制作了一臺額定功率為250W的樣機。樣機實驗參數(shù)如下：變壓器材料為PC40，磁芯為EE49，變壓器原副邊變比3∶2，輸入電壓Uin: 180～200V，輸出電壓50V，開關(guān)頻率100kHz，兩個濾波電感取25μH，漏感取0.54μH。

圖3 額定載荷下的各波形示意圖

圖3給出了負載電流為5A滿載時的各主要器件實驗波形，其中圖3(a)、圖3(b)分別是主開關(guān)管S1和輔助管S3柵源極電壓uds1，uds3及驅(qū)動電壓ugs1，ugs3，從圖3中可以看出當變換器工作在滿載時，驅(qū)動電壓ugs在變?yōu)檎较蚯?，開關(guān)管柵源極電壓uds已經(jīng)降為0，兩開關(guān)管均實現(xiàn)了零電壓開通。當開關(guān)管關(guān)斷時，S1和S3上的結(jié)電容能夠起到制約uds上升的作用，因此開關(guān)管實現(xiàn)了零電壓關(guān)斷，S1和S3滿載時都實現(xiàn)了ZVS。

圖4和圖5分別給出了負載電流為2.5A和0.5A時主開關(guān)管S1和輔助開關(guān)管S3在柵源極處受到電壓uds1，uds3的波形，可以看出，主功率開關(guān)管S1在半載和輕載時均可以實現(xiàn)ZVS開通，因而ZVS的開通范圍為全負載，而輔助開關(guān)管S3在半載時勉強實現(xiàn)了ZVS開通，而在輕載時不能實現(xiàn)ZVS開通，因此ZVS的開通負載范圍有一定局限。

圖4 半載下的各波形示意圖

圖5 輕載下的各波形示意圖

由此驗證了原理分析中變換器的特性。其具有結(jié)構(gòu)簡單，能夠適用于大電流輸入輸出應(yīng)用的特點，額定功率下整流二極管可以實現(xiàn)自然換流，變換器主管可以在很寬負載范圍下實現(xiàn)ZVS, 輔助管可以在較寬負載內(nèi)實現(xiàn)ZVS, 但在輕載時仍較難實現(xiàn)ZVS。