摘要：雙正激變換器廣泛應用于中、大功率場合,為了提高變換器的功率密度和效率,必須提高開關頻率并減少開關損耗,這就要求開關管工作在軟開關方式。本文系統(tǒng)的分析了雙正激變換器軟開關拓撲的主要工作原理、優(yōu)缺點和應用場合，并選取一種新型的雙正激軟開關組合變換器拓撲作為高壓直流輸入航空靜止變流器的DC/DC級拓撲，成功研制了一臺4KW的原理樣機，并給出了實驗結(jié)果。 敘詞：雙正激變換器；組合變換器；軟開關 Abstract：The dual-switch forward converter is widely adopted in medium to high power applications. To achieve high power density and high efficiency, switching frequency must be greatly increased, and meanwhile, switching losses must be reduced. As a result, soft-switching techniques must be adopted. This paper presents a detailed review of these techniques. The main operation principles、merits、limitations and applications of these soft-switching topologies are analyzed. Based on the analysis and evaluation, a novel dual-switch forward combined converter is taken as the DC/DC converter for high voltage dc input Aeronautic Static Inverter. A 4KW prototype is successfully developed, and the experimental results are also included in this paper. Keyword：Dual-switch forward converter；Combined converter；Soft-switching
1. 引言
雙正激變換器克服了正激變換器中開關電壓應力高的缺點，每個開關管只需承受輸入直流電壓，不需要采用特殊的磁復位電路就可以保證變壓器的可靠磁復位。它的每一個橋臂都是由一個二極管與一個開關管串聯(lián)組成，不存在橋臂直通的危險，可靠性高。因此雙正激變換器具有其它變換器無法比擬的優(yōu)點，成為目前中大功率變換器中應用最多的拓撲之一。雙正激組合變換器通過對雙正激變換器進行并、串組合，可以克服其占空比只能小于0.5的缺點，提高變壓器的利用率和變換器的等效占空比，適合應用于高輸入和輸出電壓的大功率場合[1,2] 。
現(xiàn)代電源的發(fā)展方向是高頻化、小型化、模塊化、智能化，實現(xiàn)變換器的高功率密度、高效率和高可靠性。提高開關頻率，減小磁性元件的體積和重量是提高變換器功率密度的有效措施。但是在硬開關狀態(tài)下工作的變換器，隨著開關頻率的上升，一方面開關器件的開關損耗會成正比地增大，無源元件的損耗大幅度增加,效率大大降低；另一方面，過高的dv/dt和di/dt會產(chǎn)生嚴重的電磁干擾(EMI),影響變換器的可靠性。為了改善高頻變換器開關的工作條件,減小開關損耗和電磁干擾,各種軟開關技術(shù)應用而生，包括無源軟開關技術(shù)與ZVS/ZCS諧振、準諧振、ZVS/ZCS-PWM、ZVT/ZCT-PWM等有源軟開關技術(shù)。
近年來國內(nèi)外廣大學者對雙正激及其組合變換器的軟開關技術(shù)進行了大量的研究。軟開關拓撲大體上可分為三類，即應用無源輔助電路的無源軟開關拓撲；應用有源輔助電路的有源軟開關拓撲；不需輔助電路的軟開關拓撲。本文系統(tǒng)地分析了這三類軟開關拓撲，指出各種拓撲的特點和適用場合，給出簡單的分析和評價，并選擇了一種新型的ZVS雙正激組合變換器，作為高壓直流輸入航空靜止變流器DC/DC級拓撲，成功研制了一臺4KW的雙正激組合變換器，滿載時效率高達95.51%。
2. 應用無源輔助電路的無源軟開關拓撲
2.1 原邊箝位型ZVZCS雙正激變換器
文獻[3]提出了一種原邊箝位型ZVZCS雙正激變換器如圖1所示。原邊箝位電路由輔助電感Lr和兩個箝位二極管D3、D4組成。
600)this.width=600" border="0" />
圖1 原邊箝位型ZVZCS雙正激變換器
[!--empirenews.page--]
S1和S2開通時Lr的電流從零開始線性上升，從而減小了D6關斷時的di/dt和電壓尖峰，S1和S2為零電流開通。S1和S2關斷時負載電流對開關管的結(jié)電容充電，S1和S2為零電壓關斷。該拓撲的優(yōu)點是：通過簡單的無源箝位電路減小了副邊續(xù)流二極管反向恢復引起的電壓尖峰，降低了電磁干擾，實現(xiàn)了開關管的零電流開通和零電壓關斷，適合應用于高壓輸出的大功率場合。缺點是變換器的開關管為容性開通。
2.2 一種雙正激電路的軟關斷拓撲
文獻[4]提出了一種雙正激電路的軟關斷拓撲如圖2所示。通過比開關結(jié)電容大得多的諧振電容C1、C2限制開關電壓的上升速度，從而實現(xiàn)開關管的ZVS關斷。由Lr、C1、C2 D3、D4和D5構(gòu)成的箝位電路是無損的，并能將變壓器漏感所存儲的能量全部返回到輸入電源中。但是開關管開通時，諧振電流從開關管流過，增加了開關管的電流應力，而且開關管為硬開通，對大功率雙正激電路效率的提高有較大的實用價值。
600)this.width=600" border="0" />
圖2 一種雙正激電路的軟關斷拓撲
2.3 無源ZVT雙正激變換器
圖3示出了一種無源ZVT 雙正激變換器[5] ，它通過在變壓器原邊增加輔助電路，實現(xiàn)開關管的零電壓關斷。其工作原理為：當兩個開關管開通時，諧振電容Cr 和諧振電感Lr通過開關S2 及二極管D3諧振，將Cr上的電壓改變極性，在開關管關斷時，由于Cr比開關管的結(jié)電容大得多，因此限制了開關管電壓的上升速度，從而實現(xiàn)零電壓關斷。這種變換器的優(yōu)點是不需要增加有源開關器件，因此電路簡單。但是由于在開關開通時，諧振電流要從下管S2流通，因此增加了下管的電流應力，而且開關管為硬開通,開通損耗較大。
600)this.width=600" border="0" />
圖3 無源ZVT雙正激變換器
2.4 無損緩沖ZVZCS雙正激變換器
文獻[6]提出了一種無損緩沖ZVZCS雙正激電路如圖4所示。通過輔助電感Lr實現(xiàn)開關管的零電流開通，由諧振電容Cr實現(xiàn)開關管的零電壓關斷。該變換器在整個負載范圍內(nèi)都可以實現(xiàn)軟開關，通態(tài)損耗較小，而且緩沖電路是無損的。
600)this.width=600" border="0" />
圖4 無損緩沖ZVZCS雙正激電路
2.5 帶能量吸收電路的軟開關雙正激變換器
文獻[7]提出了一種開關管和副邊整流二極管帶能量吸收緩沖電路的雙正激電路如圖5所示。無損吸收緩沖網(wǎng)絡實現(xiàn)了原邊開關管的零電流開通、零電壓關斷和副邊整流二極管的零電流開通，并且副邊整流二極管不存在電壓尖峰和反向恢復損耗。該電路結(jié)構(gòu)比較復雜，需要附加2套緩沖電路。
600)this.width=600" border="0" />
圖5 帶能量吸收緩沖電路的軟開關雙正激變換器
2.6 橋臂互感型軟開關雙正激組合變換器
文獻[8]提出了一種橋臂互感型軟開關雙正激組合變換器如圖6所示，將兩個雙正激變換器的串聯(lián)組合，副邊采用倍流整流電路，適用于高輸入電壓、低壓大電流輸出的場合。開關管承受的電壓僅為輸入直流電壓的一半。利用耦合電感中儲存的能量實現(xiàn)開的零電壓開關，同時采用移相控制技術(shù)調(diào)節(jié)輸出電壓和實現(xiàn)軟開關。由于采用了帶兩個原邊繞組的變壓器，所以能夠使變壓器磁芯工作在雙象限和實現(xiàn)輸入電容電壓的自動均壓。該電路的缺點是每個橋臂上的輔助電路增加了開關管的電流應力，電路的導通損耗比較大，輔助電路較復雜。
600)this.width=600" border="0" />
圖6 橋臂互感型軟開關雙正激組合變換器
2.7 改進的橋臂互感型軟開關雙正激組合變換器
文獻[9]提出了一種改進的橋臂互感型軟開關雙正激組合變換器如圖7所示，不僅具有圖6電路所具有的優(yōu)點，而且不需要采用圖6電路所示的輔助電路。通過PWM控制開關管的導通和關斷，利用偶合的諧振電感Lr1和Lr2實現(xiàn)開關管的零電壓開通，但是軟開關范圍受一定的限制。由于輸入電容的自動均壓方式是通過原邊電流流經(jīng)開關管和變壓器在兩個電容之間相互傳遞能量實現(xiàn)的，因而會增加開關管的電流應力和導通損耗。而且副邊整流二極管的電壓應力較大，不適合應用在高輸出電壓場合。該變換器適用于高輸入電壓、低壓大電流輸出的大功率場合。
600)this.width=600" border="0" />
圖7 改進的橋臂互感型軟開關雙正激組合變換器[!--empirenews.page--]
3. 應用有源輔助電路的有源軟開關拓撲
3.1 有源箝位軟開關雙正激變換器
文獻[10]提出了一種有源箝位軟開關雙正激變換器如圖8所示。通過在變壓器的原邊并聯(lián)一個由Sa、Ca、Da構(gòu)成的有源箝位網(wǎng)絡，不僅可以箝位開關管的電壓，還可以實現(xiàn)開關管和輔管的零電壓開通。同時變壓器勵磁電流雙向流動，提高了變壓器磁芯的利用率。電路工作于準方波模式，可以進行恒頻PWM控制，電磁兼容性好。
600)this.width=600" border="0" />
圖8 有源箝位軟開關雙正激變換器
3.2 一種新型的有源箝位雙正激變換器
為了減小變換器原邊開關管和副邊二極管的開關損耗和導通損耗，文獻[11]提出了一種新型的有源箝位雙正激變換器如圖9所示，利用2個開關管Sa1、Sa2代替?zhèn)鹘y(tǒng)雙正激電路原邊的2個箝位二極管，同時加入一個箝位電容，實現(xiàn)主開關管和輔管的ZVS開通。該拓撲電路結(jié)構(gòu)簡潔，而且輔管Sa1、Sa2可以選用電壓定額較低的開關管。該變換器適用于寬輸入電壓范圍的中、低壓場合，但是輔管的引入增加了電路控制的復雜性。
600)this.width=600" border="0" />
圖9 一種新型的有源箝位雙正激變換器
3.3 一種有源軟開關雙正激變換器
文獻[12]提出了一種有源軟開關雙正激變換器如圖10所示。輔助諧振網(wǎng)絡的輔管可以零電流開通，ZVS關斷，同時實現(xiàn)主開關管S1的零電壓零電流開通、零電壓關斷和S2的零電流開通。該拓撲的缺點輔助電路結(jié)構(gòu)比較復雜，開關管S2是硬關斷，而且存在容性開通損耗。
600)this.width=600" border="0" />
圖10 一種有源軟開關雙正激變換器
3.4 串聯(lián)組合式ZVS雙正激變換器
圖11所示電路[13]是由兩個ZVS雙正激變換器串聯(lián)組成。它可以實現(xiàn)主開關管的零電壓開通和輔管的零電流開通、零電壓零電流關斷。在主開關管開通前超前導通輔管Sa1(或Sa2),通過Lr1（或Lr2）和Cr1（或Cr2）諧振，使諧振電容上的電壓達到Vin/2,然后開通主開關管。由于該電路采用了帶兩個原邊的變壓器，所以它能實現(xiàn)磁芯的雙象限工作和輸入電容的自動均壓，適合應用在高電壓輸入的大功率場合。但是副邊整流二極管的電壓為兩倍的副邊電壓，因而限制了變換器在高輸出電壓領域的應用。
3.5 有源ZVT雙正激變換器
文獻[14]提出了一種有源ZVT雙正激變換器如圖12所示。其基本原理與圖4所示的無源ZVT電路一樣，也是通過比開關結(jié)電容大得多的諧振電容Cr限制開關電壓上升速度，從而實現(xiàn)開關ZVS關斷。與圖4不同的是，諧振回路與主回路完全分開，在諧振網(wǎng)絡中增加了諧振開關Sa，諧振電流不從下管中流過，因此不增加變換器主開關管的電流應力。而且通過在S1、S2開通之前很短的時間內(nèi)超前開通諧振開關Sa，能夠?qū)崿F(xiàn)S1、S2的零電壓開通。該帶電路的缺點是Sa零電流開關，但為容性開通，而且這種變換器增加了電路的復雜性。
600)this.width=600" border="0" />
圖12 有源ZVT雙正激變換器
3.6 ZVT交錯并聯(lián)雙正激組合變換器
文獻[15]提出了一種ZVT交錯并聯(lián)雙正激組合變換器，如圖13所示，采用一套輔助電路實現(xiàn)整個組合變換器的主開關管的ZVS。輔助電路由兩個開關管Sa1、Sa2、D5、D6有和諧振電容Cr組成，將變壓器漏感和勵磁電感作為諧振電感，減少了外加諧振電感帶來的損耗。但是輔管是零電流開關，存在容性開通損耗。
600)this.width=600" border="0" />
圖13 ZVT交錯并聯(lián)雙正激組合變換器
3.7 ZCT雙正激變換器
文獻[16]提出了ZCT雙正激變換器，如圖14所示，在每個開關管旁并聯(lián)一個諧振回路，在主開關管關斷之前開通諧振開關，通過諧振回路的諧振，將主開關管的電流轉(zhuǎn)移到諧振回路中，從而實現(xiàn)主開關管的零電流關斷，諧振開關在諧振電流過零時自然關斷。ZCT雙正激變換器特別適合于以IGBT 作主開關管的應用場合，可以避免IGBT 關斷時由拖尾電流引起的關斷損耗。但是主開關管是硬開通，而且需要兩個輔助開關和兩套輔助電路，因此電路結(jié)構(gòu)比較復雜。
600)this.width=600" border="0" />
圖14 ZCT雙正激變換器[!--empirenews.page--]
3.8 廣義軟開關-PWM雙正激變換器
廣義軟開關，就是用有源或無源的無損吸收電路，使開關過程軟化，實現(xiàn)近似零電壓開通或近似零電流關斷，減少開關損耗，同時降低整流二極管的反向恢復損耗。它可以達到與傳統(tǒng)ZVT或ZCT軟開關幾乎相同的指標，但比傳統(tǒng)軟開關具有電路簡單，成本低廉，可靠性高的優(yōu)點。圖15所示是一種廣義軟開關-PWM雙正激變換器[17,18]，原理簡述如下：主開關管S1、S2以及輔管Sa同時開通，回路中Lr限制了主開關管的電流上升率，減小了開通損耗。S1先關斷，變壓器電流對C1充電，C1上的電壓不能突變，因此S1電壓上升電壓斜率受到限制，關斷損耗減小。令Sa先于S2關斷，當S2關斷時，器電流對C2充電，和S1關斷情況相同，減小了S2的關斷損耗。該電路的特點是：變壓器和吸收電感的儲能可回饋給電源，輔管Sa可實現(xiàn)ZVS，S1、S2雖然不是零電壓開通，也不是零電流關斷，但是有源無損吸收電路有效地軟化了開關過程。但是吸收電路需增加輔助開關管，控制較復雜。
600)this.width=600" border="0" />
圖15 廣義軟開關-PWM雙正激變換器
4. 不需輔助電路的軟開關拓撲
4.1 雙橋式ZVS雙正激組合變換器
圖16提出了一種雙橋式ZVS雙正激組合變換器[19]，兩個雙正激變換器在原邊串聯(lián)，共用一個高頻變壓器，通過移相控制，并利用變壓器漏感和勵磁電感實現(xiàn)開關管的零電壓開通。變壓器磁芯的雙象限磁化實現(xiàn)了輸入電容的自動均壓。該電路適用于高輸入、輸出電壓，大電流輸出的場合，但是通態(tài)損耗較大。
600)this.width=600" border="0" />
圖16 雙橋式ZVS雙正激變換器
4.2 ZVZCS PWM交錯并聯(lián)的雙正激組合變換器
文獻[20]提出了一種ZVZCS PWM并聯(lián)的雙正激組合變換器如圖17所示，副邊采用耦合的濾波電感以減小空載電流和環(huán)流電流，Ls1、Ls2是變壓器的副邊漏感。通過PWM控制，不需輔助電路就實現(xiàn)了S1、S2的ZVS和S3、S4的ZCS，減小了原邊和副邊的空載和環(huán)流電流，降低了通態(tài)損耗。它適合用于高壓輸入、IGBT做開關管的場合。
600)this.width=600" border="0" />
圖17 ZVZCS PWM交錯并聯(lián)的雙正激組合變換器
4.3 新型的ZVZCS雙正激組合變換器
文獻[21]提出了一種新型的ZVZCS PWM交錯并聯(lián)的雙正激組合變換器如圖18所示。兩個相同的雙正激變換器在原邊串聯(lián)，采用一個帶兩個原邊繞組和兩個副邊繞組的高頻變壓器，采用PWM技術(shù)減少空載和環(huán)流電流，降低了導通損耗。在較寬的負載范圍內(nèi)不需采用任何有源或無源輔助電路，由變壓器漏感電流實現(xiàn)了S1、S3的零電壓零電流開通、零電壓關斷，利用漏感電流和環(huán)流電流實現(xiàn)S2、S4的零電流開通、零電壓關斷。4個開關管類似全橋變換器工作，磁芯元件和濾波器體積都很小。該變換器的優(yōu)點是變壓器原邊側(cè)沒有環(huán)流存在，但是需要兩個相同的原邊繞組，銅損較大。此外S2、S4為零電流開通，用MOSFET作開關管時存在容性開通損耗。適用于高輸入電壓的大功率場合。
600)this.width=600" border="0" />
圖18新型的ZVZCS雙正激組合變換器
4.4 ZVS三電平雙正激組合變換器
文獻[22]提出了一種新型的ZVS三電平雙正激組合變換器，如圖19所示。它由兩個雙正激電路串聯(lián)構(gòu)成，經(jīng)過一個有兩個原邊繞組的高頻變壓器實行隔離輸出。利用集成在高頻變壓器中的副邊漏感，通過PWM控制實現(xiàn)開關管的ZVS。該變換器的開關管所承受的電壓應力為輸入直流電壓的一半，因此適用于高電壓輸入場合。文獻最后給出了采用全波整流和倍流整流的ZVS三電平雙正激組合變換器拓撲。
600)this.width=600" border="0" />
圖19 ZVS三電平雙正激組合變換器
4.5 新型的ZVS雙正激組合變換器
文獻[23]提出了一種新型的ZVS雙正激組合變換器，如圖19所示。主電路原邊部分由交錯并聯(lián)的雙正激組合變換器簡化而來，原邊只用兩個續(xù)流二極管，電路結(jié)構(gòu)簡單。而且采用變壓器的磁集成技術(shù)，高頻變壓器磁芯雙向磁化，提高了磁芯的利用率，進一步減小了體積，提高了變換器的功率密度。此外，該變換器還具有如下一些特點：[!--empirenews.page--]
(1)變換器采用開環(huán)控制，在接近100%的等效占空比下工作，變換效率高；(2)可以通過變壓器漏感（或串聯(lián)電感）能量實現(xiàn)主開關管的零電壓開通，同時降低了副邊整流二極管的反向恢復損耗，大大提高了效率；(3)輸出濾波電路不含濾波電感，這樣由于輸出濾波電容的箝位作用，大大減小了副邊整流二極管的電壓尖峰。該變換器起著隔離和變壓的作用，輸出電壓隨輸入電壓和負載變化，所以適合應用于輸入電壓變化范圍較小的兩級或多級系統(tǒng)中。
600)this.width=600" border="0" />
圖20新型的ZVS雙正激組合變換器
本文選用這種新型的ZVS雙正激組合變換器，作為高壓直流輸入航空靜止變流器DC/DC級拓撲，采用并-串組合方式成功研制了一臺4KW的DC/DC變換器（實驗電路如圖21）。
600)this.width=600" border="0" />
圖21變換器實驗電路圖
實驗主要數(shù)據(jù)為：輸入直流電壓：Vin=270V；輸出直流電壓：Vo=360V；D=0.483；變壓器磁芯：雙EE55B。變壓器原副邊變比：K=13：11；變壓器原邊漏感（包括串聯(lián)電感）：Ls1= Ls2= Ls3= Ls4=26uH；開關管(S1~S8)：IXTK48N50(Rds(on)=0.10 , Cds=620pF)；原邊續(xù)流二極管(D1~D4)：DSEI60-06A；副邊整流二極管(D5~D8)：DSEI60-10A 。輸出濾波電容：Cf1= Cf2=470uF；開關頻率：fs=100kHz。
600)this.width=600" border="0" />
圖22 ZVS開關波形(2us/div)
（CH1：S1漏源電壓 100V/div；
CH2：S1驅(qū)動電壓 20V/div）
600)this.width=600" border="0" />
圖23滿載時驅(qū)動電壓、副邊電壓、電流波形(2us/div) （CH1：S1驅(qū)動電壓 20V/div；CH2：變壓器副邊電壓 250V/div；CH3：變壓器副邊電流 10A/div）
圖22是開關管S1的驅(qū)動電壓和漏源電壓的波形，從圖中可以看出S1實現(xiàn)了ZVS。圖23給出了滿載時副邊電壓和電流的波形。由于輸出濾波電容的箝位，副邊幾乎沒有電壓尖峰。圖24給出了變換器效率和輸出功率的關系曲線，滿載時效率高達95.51%。
600)this.width=600" border="0" />
圖24 效率與輸出功率的關系曲線
5. 結(jié)論
本文對應用無源輔助電路、有源輔助電路和不需附加輔助電路的三類雙正激軟開關拓撲進行了系統(tǒng)的分析和評價，并選擇一種新型的雙正激軟開關拓撲作為高壓直流輸入航空靜止變流器的DC/DC級拓撲，成功研制了一臺4KW的樣機，最后給出了實驗結(jié)果。本文的分析將有助于在不同的應用場合選擇最合適的雙正激變換器的軟開關拓撲。
下載文檔
