具有無損耗緩沖電路的軟開關(guān)雙管正激式變換器

電源裝置的發(fā)展趨勢是小型化和輕量化。為了減小電源裝置的體積和重量，提高開關(guān)頻率是最可行的方法。然而，隨著開關(guān)頻率的提高，開關(guān)器件的開關(guān)損耗也越來越大，帶來了效率降低和發(fā)熱嚴重等問題。本文介紹一種新型的無損耗緩沖電路，使開關(guān)管工作在軟開關(guān)狀態(tài)，能夠極大地降低開關(guān)損耗，較好地解決了效率降低和發(fā)熱嚴重等問題。

2 傳統(tǒng)的雙管正激式變換器的缺點

雙管正激式變換器具有電路結(jié)構(gòu)簡單、輸入與輸出電壓隔離、開關(guān)管電壓應(yīng)力較小等優(yōu)點，因而廣泛應(yīng)用于大容量的電源裝置中。然而，傳統(tǒng)的雙管正激式變換器的開關(guān)管是硬開關(guān)，在關(guān)斷時會出現(xiàn)很大的浪涌電壓，使得開關(guān)管上的電壓上升率dv/dt很大，因而加大了開關(guān)管的開關(guān)損耗，并產(chǎn)生很大的電磁干擾(emi)。一般的方法是在變換器上加一個rc或rcd緩沖器，以吸收變壓器漏感所儲存的能量，從而抑制浪涌電壓、降低dv/dt。但是，加了這些緩沖器的變換器，因為其所吸收的能量最終被消耗在緩沖器自身的電阻上，開關(guān)頻率越高，緩沖器所消耗的能量就越大，變換器的效率就越低。

3 無損耗緩沖電路的拓撲結(jié)構(gòu)及工作原理

新型的無損耗緩沖電路的拓撲結(jié)構(gòu)如圖1。由mosfet管q1、q2(cs1、cs2為其結(jié)電容)，變壓器t1，二極管vd3、vd4組成了一個傳統(tǒng)的雙管正激式變換器；由箝位電容c1、c2，電感l(wèi)c，二極管vd1、vd2組成無損耗緩沖電路。q1、q2采用pwm方式工作。無損耗緩沖電路的主要波形如圖2。下面對其工作原理進行分析。

由于q1、q2開關(guān)時間很短，lo的取值很大，所以近似認為負載電流io在開關(guān)時保持不變。假設(shè)電路的初始狀態(tài)為：開關(guān)管q1、q2上的電壓為uin/2，箝位電容c1、c2上的電壓為0。

(1)開關(guān)模態(tài)1［t0，t1］

t0時刻，開關(guān)管q1、q2開通，箝位電容c1、c2通過開關(guān)管q1、q2和箝位二極管vdc與箝位電感l(wèi)c諧振工作，其等效電路如圖3(a)。負載電流io由vd6轉(zhuǎn)移到vd5上，勵磁電流im保持im不變。

(2)開關(guān)模態(tài)2［t1,t2］

在此開關(guān)模態(tài)中，二極管vd6關(guān)斷，負載電流i0完全轉(zhuǎn)移到vd5上，其等效電路如圖3(b)。勵磁電流im從-im開始線性上升。t2時刻，箝位電容c1、c2上的電壓達到uin，箝位電感l(wèi)c上的電流下降為0，箝位二極管vdc自然關(guān)斷，開關(guān)模態(tài)2結(jié)束。

(3)開關(guān)模態(tài)3［t2,t3］

在此開關(guān)模態(tài)中，箝位網(wǎng)絡(luò)停止工作，變換器為正常的pwm工作狀態(tài)，其等效電路如圖3(c)。

(4)開關(guān)模態(tài)4［t3,t4］

在t3時刻，q1、q2關(guān)斷，整流管vd5繼續(xù)導(dǎo)通，等效電路如圖3(d)。此時折算到原邊的負載電流io/k與勵磁電流im給兩個結(jié)電容cs1、cs2充電，同時箝位電容c1、c2通過二極管vd1、vd2放電。

(5)開關(guān)模態(tài)5［t4,t5］

在t4時刻，續(xù)流二極管vd6導(dǎo)通，勵磁電流im保持+im不變。變壓器漏感l(wèi)k與結(jié)電容cs1、cs2和箝位電容c1、c2諧振工作，等效電路如圖3(e)。在這段時間里，漏感上所儲存的能量全部轉(zhuǎn)移到結(jié)電容和箝位電容上，并最終返回到電源uin中，做到了真正的無損耗。

(6)開關(guān)模態(tài)6［t5,t6］

在此開關(guān)模態(tài)中，勵磁電感l(wèi)m與結(jié)電容cs1、cs2和箝位電容c1、c2諧振工作，勵磁電流從+im開始下降，結(jié)電容cs1、cs2上的電壓進一步上升，當(dāng)其達到uin時，箝位電容c1、c2上的電壓為0，二極管vd1、vd2自然關(guān)斷，二極管vd3、vd4導(dǎo)通，等效電路如圖3(f)。

(7)開關(guān)模態(tài)7［t6,t7］

在此開關(guān)模態(tài)中，由于二極管vd3、vd4導(dǎo)通，結(jié)電容cs1、cs2上的電壓被箝位于uin，等效電路如圖3(g)。此時變壓器原邊電壓被箝位于反向uin，勵磁電流im線性下降。當(dāng)勵磁電流im下降到0時，變壓器的磁芯被復(fù)位。

(8)開關(guān)模態(tài)8［t7,t8］

在此開關(guān)模態(tài)中，勵磁電感l(wèi)m與結(jié)電容cs1、cs2諧振工作，等效電路如圖3(h)。勵磁電流im負向增長，結(jié)電容cs1、cs2上的電壓由uin下降。當(dāng)其電壓下降到uin/2時，勵磁電流im達到負向的最大值-im，開關(guān)模態(tài)8結(jié)束。

(9)開關(guān)模態(tài)9［t8,t9］

在此開關(guān)模態(tài)中，結(jié)電容cs1、cs2上的電壓有進一步下降的趨勢，那么變壓器原邊電壓將會為正，同樣副邊電壓也變?yōu)檎拐鞫O管vd5導(dǎo)通，等效電路如圖3(i)。變壓器的勵磁電流im保持-im不變。在t9時刻，開關(guān)管q1、q2開通，開始下一開關(guān)周期。

4 無損耗緩沖電路的性能分析

4.1 軟開關(guān)技術(shù)

當(dāng)開關(guān)管工作在pwm方式時，就會產(chǎn)生開關(guān)損耗。因為開關(guān)管關(guān)斷時，開關(guān)管的電壓不是立即從零上升到電源電壓，而是有一個上升時間；同時它的電流也不是立即下降到零，也有一個下降時間。在這段時間里，電流和電壓有一個交疊區(qū)，產(chǎn)生損耗。開關(guān)損耗包括開通損耗和關(guān)斷損耗，本文只討論關(guān)斷損耗。

傳統(tǒng)的雙管正激式變換器，其開關(guān)管是工作在硬開關(guān)方式，產(chǎn)生的開關(guān)損耗很大。因為硬開關(guān)在關(guān)斷時，電壓上升的時間dt1主要取決于開關(guān)管的結(jié)電容。

開關(guān)管的結(jié)電容cs1一般都很小。由式(1)可知，cs1很小時，dt1也很小，因而dv/dt1很大，電流和電壓的交疊區(qū)也就會很大，如圖4(a)，從而產(chǎn)生很大的開關(guān)損耗。

加了rc或rcd緩沖器的變換器以及具有無損耗緩沖電路的變換器中，電壓上升的時間dt2就會受到箝位電容(c1=c2)的影響。

由于箝位電容c1的取值遠大于結(jié)電容cs1，由式(2)可知，dt2遠大于dt1，電流和電壓的交疊區(qū)就會減小，如圖4(b)，從而降低了開關(guān)損耗。

4.2 無損耗緩沖技術(shù)

加了rc或rcd緩沖器的變換器雖然能有效的降低dv/dt，從而降低開關(guān)損耗，但其箝位電容所吸收的能量最終被消耗在緩沖器自身的電阻上，降低變換器的效率。

具有無損耗緩沖電路的變換器，其箝位電容所吸收的能量最終被返回到電源系統(tǒng)中，緩沖器本身并沒有消耗能量。從能量轉(zhuǎn)換的過程來看：

在t4時刻，變壓器的漏感能量最大，為1/2lk(io/k)2。開關(guān)模態(tài)5中，漏感能量全部轉(zhuǎn)移至結(jié)電容和箝位電容中，其中轉(zhuǎn)移到結(jié)電容上的能量為：

t5時刻，變壓器的勵磁能量最大，為1/2lmim2。在開關(guān)模態(tài)6中，有一部分勵磁能量轉(zhuǎn)移到結(jié)電容和箝位電容中。其中轉(zhuǎn)移到結(jié)電容上的能量為：

t6時刻，勵磁能量為1/2lmim(t6)2。在開關(guān)模態(tài)7中，這部分勵磁能量全部轉(zhuǎn)移到電源系統(tǒng)中，因而箝位電容所吸收的總能量為：

由式(3)可以看出，e與開關(guān)頻率f成正比，這就是rc或rcd的雙管正激式變換器難以實現(xiàn)高頻化的原因。

5 實驗結(jié)果

具有無損耗緩沖電路的變換器與傳統(tǒng)的雙管正激式變換器及加了rc或 rcd的雙管正激式變換器相比，總損耗明顯減小，效率顯著提高。

圖5給出了輸入電壓uin為420 v、輸出電壓為55 v、輸出電流為50 a時，開關(guān)管q2上的電壓usc2的波形。從該圖可以看出：

(1)在開關(guān)管開通時，usc2迅速下降，而在開關(guān)管關(guān)斷時，usc2緩慢上升，使開關(guān)管工作在軟開關(guān)的條件下，有效地降低了開關(guān)損耗。

(2)開關(guān)管關(guān)斷時，開關(guān)管上沒有出現(xiàn)大的浪涌電壓，usc2被有效地箝位于uin，因而開關(guān)管上的電壓應(yīng)力較小。實驗中選用的是電壓等級為500v的mosfet。由于mosfet的電壓等級越小，其通態(tài)電阻越小，這樣就有效地降低了開關(guān)管的通態(tài)損耗。

(3)在關(guān)斷的暫態(tài)過程中，電壓usc2有一個小的振蕩過程，這是因為整流二極管vd5反向恢復(fù)而產(chǎn)生的。文獻［4］對此進行了詳細的分析，本文不作討論。

6 結(jié)束語

經(jīng)實驗驗證，這種無損耗緩沖的雙管正激式變換器能有效地降低開關(guān)管的開關(guān)損耗，并能將變壓器漏感所儲存的能量全部返回到輸入電源中，并且該電路能使變壓器的勵磁電流反向，從而大大的提高了變壓器磁芯的利用率，有利于提高效率，降低成本。該電路適用于大功率開關(guān)電源的dc-dc變換部分。