零電流零電壓開關(guān)交錯并聯(lián)雙管正激變換器的研究

1    引言

    雙管正激變換器具有開關(guān)管電壓應力低，不存在橋臂直通危險，可靠性高的優(yōu)點。但是，它的一個突出缺點是工作占空比要小于0.5，導致整流輸出的電壓和電流脈動較大，使得濾波器的體積較大。為了克服這一缺點，可以采用交錯并聯(lián)結(jié)構(gòu)，對于輸出端，有兩種并聯(lián)方式：一是在輸出濾波電容側(cè)并聯(lián)，二是在續(xù)流二極管側(cè)并聯(lián)。后者要優(yōu)于前者，因為，在輸出電流脈動相同時，在續(xù)流二極管側(cè)并聯(lián)的濾波電感量是在輸出濾波電容側(cè)并聯(lián)的濾波電感量的1/2。本文研究的電路拓撲如圖1所示。采用交錯控制可以提高等效輸出占空比，提高變換器的等效頻率，減小輸出電流脈動，進而減小濾波器的體積^[1]。

圖1    交錯并聯(lián)雙管正激變換器原理圖

    為了抑制開關(guān)管上在關(guān)斷時由于變壓器漏感所產(chǎn)生的電壓尖峰，所以，在圖1的電路拓撲中采用了LCD無損吸收網(wǎng)絡^[2]。

2    工作過程分析

    兩個變換器的變壓器的兩個副邊交錯并聯(lián)后，在輸出濾波電容處再串聯(lián)。為了簡化分析，在圖2開關(guān)模態(tài)等效電路中只畫了每個變壓器的一個副邊。并假設所有開關(guān)和二極管均為理想器件，考慮變壓器輸出端的續(xù)流二極管和整流二極管的換流過程，MOSFET的漏源之間的結(jié)電容大小均為C_s；C₁=C₂，L₁=L₂；變壓器變比n=N₁/N₂，兩變壓器的漏感大小均為L_lk；濾波電感足夠大，這樣濾波電感和濾波電容及負載電阻可以看成一個電流為I_o的恒流源。

（a）模態(tài)1

（b）模態(tài)2

（c）模態(tài)3

（d）模態(tài)4

（e）模態(tài)5

（f）模態(tài)6  [!--empirenews.page--]

（g）模態(tài)7

圖2    各開關(guān)模態(tài)的等效電路

    在前半個開關(guān)周期中，該電路拓撲有7個開關(guān)模態(tài)，對應等效電路如圖2所示。而后半個開關(guān)周期，與之相似。主要波形圖見圖3。

圖3    主要波形圖

2.1    開關(guān)模態(tài)1[t₀－t₁]

    在t₀時刻前，S₁上的電壓為u_ds1，S₂上的電壓為u_ds2，且u_ds1>u_ds2，其大小后面將會解釋，變壓器T₂通過D₃，D₄磁復位。t₀時刻，S₁和S₂同時開通。由于變壓器有一定的漏感，使得變壓器T₁原邊電流由零逐漸增大到2I_o/n，且I_o從D₁₁中換流到D₉中。這時，C₁上的初始電壓為－U_c，且U_c<U_in，同時L₁，C₁和D₅通過S₁諧振。此開關(guān)模態(tài)直到變壓器T₁原邊電流達到2I_o/n時結(jié)束，持續(xù)時間為

    t₁－t₀=    （1）

2.2    開關(guān)模態(tài)2[t₁－t₂]

    變壓器T₂繼續(xù)磁復位。L₁，C₁和D₅通過S₁繼續(xù)諧振，直到電容C₁上的電壓由－U_c變?yōu)椋?i>U_c，此開關(guān)模態(tài)結(jié)束。

2.3    開關(guān)模態(tài)3[t₂－t₃]

    S₁，S₂繼續(xù)開通。變壓器T₂繼續(xù)磁復位，直到i_Lm2=0時，此開關(guān)模態(tài)結(jié)束。

2.4    開關(guān)模態(tài)4[t₃－t₄]

    S₁，S₂繼續(xù)開通。L₂相對L_m2很小，在此可忽略。變壓器T₂原邊勵磁電感L_m2，漏感L_lk2，S₃與S₄的結(jié)電容C_s3，C_s4和C₂及D₇經(jīng)U_in諧振。從電路結(jié)構(gòu)上可以看出，C₂和S₃的結(jié)電容C_s3相當于并聯(lián)，且C₂比結(jié)電容C_s3大很多，所以S₃上的電壓下降速度要比S4的慢很多。

2.5    開關(guān)模態(tài)5[t₄－t₅]

    t₄時刻，S₁，S₂在零電壓下關(guān)斷。D₆開通，折算到原邊的負載電流2I_o/n和勵磁電流i_m1給S₁，S₂的結(jié)電容C_s1，C_s2充電，同時，C₁被放電。變壓器T₂原邊勵磁電感L_m2，漏感L_lk2，S₃與S₄的結(jié)電容C_s3，C_s4和C₂及D7經(jīng)U_in繼續(xù)諧振。此開關(guān)模態(tài)在u_c1=0，u_ds1=u_ds2=U_in/2時結(jié)束，持續(xù)時間為：

    t₅－t₄=    （2）

2.6    開關(guān)模態(tài)6[t₅－t₆]

    S₁，S₂的結(jié)電容C_s1，C_s2繼續(xù)被充電，C₁繼續(xù)放電，使得變壓器T₁原邊承受反壓，D₉關(guān)斷，D₁₁續(xù)流，則變壓器T₁原邊中只有勵磁電流i_m1。變壓器T₂原邊勵磁電感L_m2，漏感L_lk2，S₃與S₄的結(jié)電容C_s3，C_s4和C₂及D₇經(jīng)U_in繼續(xù)諧振，T₂同名端電壓為正時，D₉和D₁₁同時開通，T₂的勵磁電流i_Lm2流經(jīng)D₉，把變壓器T₂副邊箝位在零，使得u_ds4<U_c=u_ds3<U_in，并保持不變，直到下次開通。

2.7    開關(guān)模態(tài)7[t₆－t₇]

    在t₆時刻，u_ds1=u_ds2=U_in，u_c1=－U_in，u_c2=－U_c，D₁和D₂開通，變壓器T₁通過D₁，D₂進行磁復位，直到S₃，S₄同時開通時結(jié)束，即下半個周期開始時結(jié)束。

3    實驗結(jié)果

3.1    電路的主要參數(shù)

    U_in=270V；U_out=360V；P_o=2kW；f_s=50kHz；變比n=1.08；L_lk=5μH；L_m=2.7mH。 [!--empirenews.page--]

3.2    實驗波形

    實驗波形如圖4—圖6所示。圖4為原邊電流波形和開關(guān)S₁上的電壓波形，開通時，開關(guān)管中的電流從零開始逐漸增加，開關(guān)管以ZVS關(guān)斷后，原邊以恒流給開關(guān)管的漏源結(jié)電容充電。圖5和圖6分別為驅(qū)動電壓和開關(guān)S₁和S₂上的電壓波形，可以看出，在開關(guān)S₁和S₂關(guān)斷的后期，上管S₁上的電壓下降很少，而下管S₂上的電壓下降很多。

圖4    原邊電流和開關(guān)S₁電壓波形

圖5    驅(qū)動電壓和開關(guān)S₁電壓波形

圖6    驅(qū)動電壓和開關(guān)S₂電壓波形

3.3    效率

    所研發(fā)的2kW的DC/DC變換器，在滿載時，效率為92.1％。

4    結(jié)語

    1）借助變壓器的漏感，實現(xiàn)了ZCS開通，采用IRFP460作為開關(guān)管，實現(xiàn)了ZVS關(guān)斷。

    2）LCD箝位網(wǎng)絡抑制了關(guān)斷時因變壓器漏感在開關(guān)管上產(chǎn)生的電壓尖峰。