推挽變換器在軟開關與硬開關工作模式下的比較研究

摘要：對于工作在軟開關和硬開關兩種模式下的推挽結(jié)構(gòu)的DC/DC變換器作了比較研究，分析了它們各自的優(yōu)缺點，并從工程應用角度出發(fā)，研制了一臺300W的DC/DC變換器。

關鍵詞：推挽變換器；串聯(lián)諧振；軟開關；硬開關

1    引言

    在DC/DC升壓式電路中，通常采用的拓撲結(jié)構(gòu)有Boost、Buck?Boost和推挽三種。而當輸入電壓比較低（如單節(jié)蓄電池供電時僅12V），功率不太大的情況下，一般優(yōu)先采用推挽結(jié)構(gòu)。

    硬開關在推挽電路中應用已比較成熟，本文先針對硬開關技術，分析其在工程應用中存在的弊端，進而引入軟開關技術^[2,3,4]，并作一比較分析。最后，按照產(chǎn)品設計要求，研制了一臺300WDC/DC變換器。結(jié)果表明，運用這種拓撲結(jié)構(gòu)設計的升壓變換器具有諸多優(yōu)點。

2    硬開關電路

2.1    工作原理

    圖1為推挽式硬開關電路的工作原理圖^[1]。它有3種工作模式：

圖1    硬開關電路原理圖

    模式1    Q₁導通，Q₂截止，原邊電流流經(jīng)Q₁，同時變壓器副邊電流通過D₁和D₄向負載供電；

    模式2    Q₂導通，Q₁截止，原邊電流流經(jīng)Q₂，同時變壓器副邊電流通過D₃和D₂向負載供電；

    模式3    Q₁和Q₂都截止，原邊不向副邊傳輸能量，則負載的能量來自副邊的濾波電感L和濾波電容C。

2.2    分析

    圖2和圖3是變換器工作時功率管兩端的電壓波形。由于電感的原因，功率管導通電壓降呈鋸齒波形，見圖3中的v_dson。

圖2    功率管工作波形

圖3    功率管導通電壓降

    變換器工作條件如下：

    V_i=12V，V_o=200V，I_o=1.5A；

    f_s=50kHz，L=200μH，R₁=R₂=10Ω/2W，

    C₁=C₂=0.01μF，功率管為BUZ100SL。

    測得整機效率僅為74％，且功率管發(fā)熱比較嚴重。通過改變吸收電路參數(shù)，并聯(lián)功率管，調(diào)節(jié)輸出濾波參數(shù)顯示，并聯(lián)功率管和適當增加L值可以明顯提高整機的效率（見表1）。具體分析如下：

    1）增大吸收電容，可以降低功率管關斷時的沖擊電壓，減小功率管的關斷損耗，但通過吸收電容轉(zhuǎn)移過來的能量必須由吸收電路中的功率電阻在一個開關周期內(nèi)給消耗掉，故整機效率還是沒有提高，只是實現(xiàn)了功耗的轉(zhuǎn)移。

    2）并聯(lián)功率管時，開關導通電阻減小，在導通電流不變的情況下，開關的導通損耗下降，整機效率得以提高；

    3）增大輸出濾波電感時，折算到原邊的電感也隨之增大，由L=V_i可知，此時流經(jīng)功率管電流的變化率降低，電流的峰值下降，則開關的導通損耗也隨之下降。但當電感增大到一定值時，由于電感自身損耗的增加大于開關導通損耗的減小，則整機效率反而下降。

表1    硬開關時效率隨參數(shù)變化情況

3    軟開關電路

3.1    工作原理

    圖4為軟開關電路的原理圖，圖5是理想工作波形。它有4種工作模式：

圖4    軟開關電路原理圖  [!--empirenews.page--]

圖5    理想工作波形

    模式1    [0,t₁]Q₁在零電壓下導通，通過L_r、C_r諧振，當流經(jīng)Q₁的電流諧振到零時，Q₁實現(xiàn)零電流關斷；

    模式2    [t₁,t₂]Q₁關斷而Q₂還未導通時，通過變壓器剩余的激磁電流，使C_s1充電至2V_i、同時C_s2上的電壓放電到零；

    模式3    [t₂,t₃]Q₂在零電壓下導通，通過L_r、C_r的諧振，當流經(jīng)Q₂的電流諧振到零時，Q₂實現(xiàn)零電流關斷；

    模式4    [t₃,t₄]Q₂關斷而Q₁還未導通，通過變壓器剩余的激磁電流，使C_s2充電至2V_i、同時C_s1上的電壓放電到零。

3.2    實驗結(jié)果

    1）元器件及參數(shù)

    在硬開關實驗裝置的基礎上，調(diào)整部分元器件及參數(shù)。

    （1）變壓器

    磁芯仍用EE55，變比由2：2：50改為2：2：42；副邊漏感為50μH。

    （2）諧振電容

    2πf_s=

    C_r=（1）

式中：f_s=50kHz為變換器的工作頻率；

      L_r=50μH為變壓器的漏感，即諧振電感；

      C_r為諧振電容，由式（1）可得電容為0.2μF。

    （3）吸收及濾波參數(shù)

    去掉吸收電路元件R₁、C₁、R₂、C₂及濾波電感L。

    （4）功率管

    采用BUZ100SL雙管并聯(lián)工作。

    2）分析

    圖6～8為變換器工作在軟開關模式下的波形。其中圖6是仿真波形，圖7和圖8是實驗波形。由于功率管是在零電壓下開通和零電流下關斷，功率管的電壓應力（圖7）相對于硬開關時（圖2）要小。由于功率管是在零電流下開關，故變壓器副邊側(cè)的整流二極管也工作于軟開關下，所以變換器效率能得到很大程度的提高，經(jīng)測試，最高可達92.5％。

圖6    功率管電壓波形

圖7    功率管工作電壓波形

圖8    諧振電流波形

4    比較分析

    為進一步揭示軟開關工作的優(yōu)勢，在同樣的工作前提條件下，對兩種工作模式作一實驗比較分析。 [!--empirenews.page--]

4.1    工作前提條件

    輸入/輸出電壓        12V/200V

    輸出電流            1.5A

    變換器的工作頻率    50kHz

    功率管(雙管并聯(lián))    BUZ100SL×2

4.2    元件比較

    由于變壓器原副邊的匝比降低，所以工作于軟開關模式下的變壓器可采用EE50磁芯和骨架。

    表2列出了兩種電路采用的不同元件。

表2    硬開關與軟開關兩種電路所需元件比較

    主要性能比較參見表3。

表3    硬開關與軟開關兩種電路主要性能比較

4.4    效率比較

    從圖9中可看出，推挽變換器在軟開關模式下工作效率比起硬開關模式要高。但其效率隨輸出功率的變化而變化。

圖9    變換器的效率

5    結(jié)語

    根據(jù)以上的理論分析及實驗驗證可知，采用串聯(lián)諧振軟開關技術設計的DC/DC變換器與采用硬開關技術設計的變換器相比，具有效率高，重量輕，體積小，成本低，輸出電壓紋波小等優(yōu)點。