具有無(wú)損耗緩沖電路的軟開(kāi)關(guān)雙管正激式變換器

電源裝置的發(fā)展趨勢(shì)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(kāi)關(guān)頻率是最可行的方法。然而，隨著開(kāi)關(guān)頻率的提高，開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)損耗也越來(lái)越大，帶來(lái)了效率降低和發(fā)熱嚴(yán)重等問(wèn)題。本文介紹一種新型的無(wú)損耗緩沖電路，使開(kāi)關(guān)管工作在軟開(kāi)關(guān)狀態(tài)，能夠極大地降低開(kāi)關(guān)損耗，較好地解決了效率降低和發(fā)熱嚴(yán)重等問(wèn)題。

2 傳統(tǒng)的雙管正激式變換器的缺點(diǎn)

雙管正激式變換器具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輸入與輸出電壓隔離、開(kāi)關(guān)管電壓應(yīng)力較小等優(yōu)點(diǎn)，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(kāi)關(guān)管是硬開(kāi)關(guān)，在關(guān)斷時(shí)會(huì)出現(xiàn)很大的浪涌電壓，使得開(kāi)關(guān)管上的電壓上升率dv/dt很大，因而加大了開(kāi)關(guān)管的開(kāi)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(gè)rc或rcd緩沖器，以吸收變壓器漏感所儲(chǔ)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?yàn)槠渌盏哪芰孔罱K被消耗在緩沖器自身的電阻上，開(kāi)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(wú)損耗緩沖電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及工作原理

新型的無(wú)損耗緩沖電路的拓?fù)浣Y(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(gè)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(wú)損耗緩沖電路。q1、q2采用pwm方式工作。無(wú)損耗緩沖電路的主要波形如圖2。下面對(duì)其工作原理進(jìn)行分析。

由于q1、q2開(kāi)關(guān)時(shí)間很短，lo的取值很大，所以近似認(rèn)為負(fù)載電流io在開(kāi)關(guān)時(shí)保持不變。假設(shè)電路的初始狀態(tài)為：開(kāi)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(kāi)關(guān)模態(tài)1［t0，t1］

t0時(shí)刻，開(kāi)關(guān)管q1、q2開(kāi)通，箝位電容c1、c2通過(guò)開(kāi)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(fù)載電流io由vd6轉(zhuǎn)移到vd5上，勵(lì)磁電流im保持im不變。

(2)開(kāi)關(guān)模態(tài)2［t1,t2］

在此開(kāi)關(guān)模態(tài)中，二極管vd6關(guān)斷，負(fù)載電流i0完全轉(zhuǎn)移到vd5上，其等效電路如圖3(b)。勵(lì)磁電流im從-im開(kāi)始線(xiàn)性上升。t2時(shí)刻，箝位電容c1、c2上的電壓達(dá)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(kāi)關(guān)模態(tài)2結(jié)束。

(3)開(kāi)關(guān)模態(tài)3［t2,t3］

在此開(kāi)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(kāi)關(guān)模態(tài)4［t3,t4］

在t3時(shí)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(shí)折算到原邊的負(fù)載電流io/k與勵(lì)磁電流im給兩個(gè)結(jié)電容cs1、cs2充電，同時(shí)箝位電容c1、c2通過(guò)二極管vd1、vd2放電。

(5)開(kāi)關(guān)模態(tài)5［t4,t5］

在t4時(shí)刻，續(xù)流二極管vd6導(dǎo)通，勵(lì)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(shí)間里，漏感上所儲(chǔ)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(wú)損耗。

(6)開(kāi)關(guān)模態(tài)6［t5,t6］

在此開(kāi)關(guān)模態(tài)中，勵(lì)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(lì)磁電流從+im開(kāi)始下降，結(jié)電容cs1、cs2上的電壓進(jìn)一步上升，當(dāng)其達(dá)到uin時(shí)，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(kāi)關(guān)模態(tài)7［t6,t7］

在此開(kāi)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(shí)變壓器原邊電壓被箝位于反向uin，勵(lì)磁電流im線(xiàn)性下降。當(dāng)勵(lì)磁電流im下降到0時(shí)，變壓器的磁芯被復(fù)位。

(8)開(kāi)關(guān)模態(tài)8［t7,t8］

在此開(kāi)關(guān)模態(tài)中，勵(lì)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(lì)磁電流im負(fù)向增長(zhǎng)，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(shí)，勵(lì)磁電流im達(dá)到負(fù)向的最大值-im，開(kāi)關(guān)模態(tài)8結(jié)束。

(9)開(kāi)關(guān)模態(tài)9［t8,t9］

在此開(kāi)關(guān)模態(tài)中，結(jié)電容cs1、cs2上的電壓有進(jìn)一步下降的趨勢(shì)，那么變壓器原邊電壓將會(huì)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(lì)磁電流im保持-im不變。在t9時(shí)刻，開(kāi)關(guān)管q1、q2開(kāi)通，開(kāi)始下一開(kāi)關(guān)周期。

4 無(wú)損耗緩沖電路的性能分析

4.1 軟開(kāi)關(guān)技術(shù)

當(dāng)開(kāi)關(guān)管工作在pwm方式時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生開(kāi)關(guān)損耗。因?yàn)殚_(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)，開(kāi)關(guān)管的電壓不是立即從零上升到電源電壓，而是有一個(gè)上升時(shí)間；同時(shí)它的電流也不是立即下降到零，也有一個(gè)下降時(shí)間。在這段時(shí)間里，電流和電壓有一個(gè)交疊區(qū)，產(chǎn)生損耗。開(kāi)關(guān)損耗包括開(kāi)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(kāi)關(guān)管是工作在硬開(kāi)關(guān)方式，產(chǎn)生的開(kāi)關(guān)損耗很大。因?yàn)橛查_(kāi)關(guān)在關(guān)斷時(shí)，電壓上升的時(shí)間dt1主要取決于開(kāi)關(guān)管的結(jié)電容。

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

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

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

4.2 無(wú)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(kāi)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(wú)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(méi)有消耗能量。從能量轉(zhuǎn)換的過(guò)程來(lái)看：

在t4時(shí)刻，變壓器的漏感能量最大，為1/2lk(io/k)2。開(kāi)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(shí)刻，變壓器的勵(lì)磁能量最大，為1/2lmim2。在開(kāi)關(guān)模態(tài)6中，有一部分勵(lì)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(shí)刻，勵(lì)磁能量為1/2lmim(t6)2。在開(kāi)關(guān)模態(tài)7中，這部分勵(lì)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(kāi)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(shí)現(xiàn)高頻化的原因。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

具有無(wú)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(shí)，開(kāi)關(guān)管q2上的電壓usc2的波形。從該圖可以看出：

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

(2)開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)，開(kāi)關(guān)管上沒(méi)有出現(xiàn)大的浪涌電壓，usc2被有效地箝位于uin，因而開(kāi)關(guān)管上的電壓應(yīng)力較小。實(shí)驗(yàn)中選用的是電壓等級(jí)為500v的mosfet。由于mosfet的電壓等級(jí)越小，其通態(tài)電阻越小，這樣就有效地降低了開(kāi)關(guān)管的通態(tài)損耗。

(3)在關(guān)斷的暫態(tài)過(guò)程中，電壓usc2有一個(gè)小的振蕩過(guò)程，這是因?yàn)檎鞫O管vd5反向恢復(fù)而產(chǎn)生的。文獻(xiàn)［4］對(duì)此進(jìn)行了詳細(xì)的分析，本文不作討論。

6 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，這種無(wú)損耗緩沖的雙管正激式變換器能有效地降低開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)損耗，并能將變壓器漏感所儲(chǔ)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(lì)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(kāi)關(guān)電源的dc-dc變換部分。