多組變壓器在低壓大電流開關(guān)電源中應(yīng)用的研究

摘要：本文介紹了一種低壓大電流開關(guān)電源采用的變壓器結(jié)構(gòu)，并與傳統(tǒng)的一組變壓器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了比較。以12V/1000A移相全橋ZVS開關(guān)電源的PSPICE仿真驗證了這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點。

敘詞：ZVS;移相全橋;PSPICE仿真

Abstract：A structure of the transformers with the primaries in series and the secondaries in parallel used in power supply of low voltage and high current is introduced in this paper, and compared with the structure of one transformer. Its merits of this structure are explored by PSPICE simulation of 12V/1000A power supply of shifting phase full bridge ZVS.

Keyword：ZVS;shifting phase full bridge;PSPICE simulation

1　引 言

隨著半導(dǎo)體技術(shù)、微電子技術(shù)以及逆變技術(shù)的高頻化、智能化、模塊化發(fā)展極大地推動了開關(guān)電源的發(fā)展。

對于低壓大電流開關(guān)電源，次級輸出一般采用全波整流方式。由于受到單個整流二極管容量的限制，常采用一組變壓器，多組副邊，如圖1 (a)所示，或者一組副邊多只整流二極管并聯(lián)的結(jié)構(gòu)，如圖1 (b)所示。

(a) 多組副邊　　　　　(b)一組副邊

圖1 一組變壓器

(a)多組副邊　　　　　　　(b) 一組副邊

圖2　一組變壓器等效電路

圖1所示電路，在原副邊能量傳遞期間，變壓器可以等效為電壓源，而副邊線路上的阻抗可以等效為電壓源內(nèi)阻。由于電壓源內(nèi)阻相整流二極管等效電阻較小，可忽略不計。設(shè)原副邊完全耦合，因此其等效電路可簡化為如圖2所示。顯然，圖1這兩種結(jié)構(gòu)等效電路相同，都屬于整流二極管并聯(lián)均流的問題。由于整流二極管正的電流溫度系數(shù)，而在實際應(yīng)用過程中，很難保證器件的一致性，因此會使流經(jīng)整流二極管的電流不相同，嚴(yán)重時會因負(fù)擔(dān)過重而損壞。

二極管并聯(lián)使用，為了達(dá)到均流的目的,可以采用串入電阻方式并聯(lián)，如圖3(a)所示;或采用串入動態(tài)均流互感器并聯(lián)等方法，如圖3(b)所示。

由于鄰近效應(yīng)及趨膚效應(yīng)的影響,對于串入電阻的并聯(lián)方式,二極管的均流效果隨輸出電流的大小而改變,均流效果較差。且對于低壓大電流，為了減小串入電阻上的損耗，其阻值不宜較大，這會降低均流效果。

對于串入動態(tài)均流互感器的并聯(lián)方式,可以達(dá)到較好的均流效果,但大電流互感器的制作工藝復(fù)雜,成本高, 同時由于動態(tài)均流互感器的漏感及引線電感的存在,使得二極管在關(guān)斷時的反向尖峰電壓增高,電磁干擾及損耗隨之增加。

(a) 串電阻并聯(lián)　　(b) 串動態(tài)均流互感器并聯(lián)

圖3 二極管均流方式

2　理論分析

本文采用的多組變壓器原邊串聯(lián)副邊并聯(lián)的結(jié)構(gòu)，如圖4(a)所示，可以克服以上的缺點，通過變壓器實現(xiàn)副邊均流。

(a)原邊串聯(lián)副邊并聯(lián)

(b) 等效電路

圖4 多組變壓器

設(shè)原副邊完全耦合，不計磁芯損耗及銅耗，忽略變壓器原副邊線路阻抗，在原副邊能量傳遞期間，其等效電路可簡化為如圖4(b)所示。可以得到以下關(guān)系式

其中E01 ,E02•••為原邊感應(yīng)電勢，E，E2•••為副邊邊感應(yīng)電勢，U1、U2•••為副邊繞組上電壓，UD1、UD2•••為副邊整流二極管上壓降，U為經(jīng)過整流二極管后的直流電壓，I1、I2•••為副邊繞組上電流。把(1-1)、(1-2)代入(1-3)、(1-4)得到

由(1-6′)可以看出，副邊是均流的，因此流過輸出整流二極管的電流相同,實現(xiàn)自動均流。由(1-3′)和(1-4′)可以看出, 雖然整流二極管的特性不同，但可以通過調(diào)整各組變壓器原邊的電壓來實現(xiàn)副邊均流。多個變壓器的這種連接方式可以使得變壓器的設(shè)計模塊化,簡化變壓器的制作工藝。

在整流二極管換流期間，由于變壓器原副邊短路，因此E01 ,E02•••，E，E2•••為零，變壓器不起作用。此時副邊所有整流二極管均同時導(dǎo)通，換流之前導(dǎo)通的整流二極管電流逐漸減小為零，未導(dǎo)通的整流二極管電流逐漸增加為最大值，換流過程中，副邊電流變化曲線與整流二極管的特性有關(guān)。

3　仿真分析

下面以12V/1000A電鍍電源為例進(jìn)行這種結(jié)構(gòu)的PSPICE仿真分析。主電路采用移相全橋ZVS(Zero Voltage Switching)軟開關(guān)的形式，開關(guān)頻率20kHz，副邊為全波整流，使用了三組變壓器，每組匝比8：1，變壓器原邊串聯(lián)副邊并聯(lián)，輸出整流二極管使用耐壓為80V，電流為400A的肖特基二極管。仿真主電路如圖5所示。