雙端DCM模式反激變換器變壓器變比研究

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(三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

1 引言

反激式變換器在功率較小的場(chǎng)合有著廣泛的應(yīng)用。與正激式直流變換器相比，它有諸多優(yōu)點(diǎn)，例如：不需要輸出濾波電感、電路拓?fù)浜?jiǎn)單、適合多組輸出、可以在輸出電感電流不連續(xù)模式(DCM)下穩(wěn)定工作等[1]。因此，在小功率多組輸出場(chǎng)合使用反激式變換器，可以有效減小變換器體積，降低經(jīng)濟(jì)成本。

但是，傳統(tǒng)單端反激變換器在開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，除了承受直流出入電壓以外，還要承受變壓器副邊折算到原邊的電壓以及漏感尖峰，這大大增加了開關(guān)管的電壓應(yīng)力，因此限制了變換器在高電壓場(chǎng)合的應(yīng)用。雙端DCM反激變換器使用兩個(gè)箝位二極管，將開關(guān)管的關(guān)斷電壓箝位于直流輸入電壓，拓展了反激式變換器在高電壓場(chǎng)合的應(yīng)用。然而，雙端反激變換器的漏感效應(yīng)使變換器的效率下降，也限制了變壓器的變比[2]。本文將詳細(xì)分析雙端反激變換器的工作原理，提出確定DCM模式下最大效率變壓器變比的方法。

2 雙端反激變換器

2.1 工作原理

雙端反激變換器的拓?fù)淙鐖D1所示。它使用兩個(gè)開關(guān)管，兩個(gè)箝位二極管，變壓器原邊等效成一個(gè)勵(lì)磁電感和一個(gè)漏感的串聯(lián)。開關(guān)管S1和S2同時(shí)開通同時(shí)關(guān)斷。

當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，原邊二極管和副邊二極管同時(shí)截止，負(fù)載電壓由電容維持，變壓器原邊電感電流開始線性上升[3]。開關(guān)管關(guān)斷時(shí)刻，原邊電流達(dá)到峰值:

其中，Lm和L1分別為變壓器原邊繞組的勵(lì)磁電感和漏感，DC為開關(guān)管的占空比。

圖1 雙端反激變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.2 雙端反激變換器的漏感效應(yīng)

開關(guān)管S1和S2的關(guān)斷時(shí)的電路如圖2所示。在關(guān)斷瞬間，勵(lì)磁電感Lm和漏感L1中流過(guò)相同的電流,該電流經(jīng)二極管D1和D2流向直流電源。假設(shè)此時(shí)勵(lì)磁電感Lm和漏感L1上的電壓分別為Um和U1，忽略二極管導(dǎo)通壓降，有：

U1=Udc-Um

由該式可見(jiàn)，提供給負(fù)載的電流有一個(gè)上升的過(guò)程，并且在漏感一定時(shí)，U1越大，電流上升的越快。

圖2 雙端反激變換器的漏感效應(yīng)

2.3 雙端反激變換器輸入電壓與輸出電壓的關(guān)系

雙端反激變換器的輸出電壓與開關(guān)管占空比和變壓器變比密切相關(guān)。下面分析兩者之間的關(guān)系：

關(guān)斷瞬間等效電路如圖3所示，I1和Im分別為漏感和勵(lì)磁電感中的電流，關(guān)斷瞬間

I1=Im=IP

原邊和副邊的電流關(guān)系如圖4所示。假設(shè)漏感電流在t2時(shí)刻下降到零，即：

此時(shí)副邊輸出電流達(dá)到最大值：

t3時(shí)刻，勵(lì)磁電感電流下降到零，即：

整個(gè)周期副邊電流平均值為：

則副邊平均電壓為：

U0=I0avR

關(guān)斷時(shí)刻的勵(lì)磁電感電壓Um和漏感電壓U1也和U0相關(guān)，如果進(jìn)一步展開，將得到關(guān)于U0的三次方程，通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助求解，可以得到精確的輸出電壓表達(dá)式，但是該算式相當(dāng)復(fù)雜，給計(jì)算和設(shè)計(jì)帶來(lái)不便。而且在變換器的實(shí)際設(shè)計(jì)中，通常輸入電壓和輸出電壓的幅值范圍都是已知的，因此不必解出輸出電壓。

3 DCM模式下最大效率變壓器變比推導(dǎo)

3.1 變壓器變比與傳輸效率分析

由以上分析可知，在雙端反激變換器中，隔離變壓器的變比對(duì)傳輸效率有明顯的影響。變比過(guò)大時(shí)，副邊電流上升緩慢，傳輸效率下降；雖然通過(guò)降低變比，可以提高效率，但是變比過(guò)小會(huì)使電路進(jìn)入連續(xù)工作模式(CCM)，這有可能使變換器失去控制。

圖3 關(guān)斷瞬間等效電路

圖4 原邊電流與副邊電流的關(guān)系

如果將平均電流轉(zhuǎn)換為關(guān)于K的函數(shù)：

對(duì)K求導(dǎo):

f′(K)<0

可見(jiàn)，隨著變比K的增大，副邊平均電流逐漸減小。

3.2 變壓器變比與變換器工作模式

由3.1的分析，如果變壓器變比取得足夠小，漏感的影響可以忽略不計(jì)。但是變比過(guò)小會(huì)使電路進(jìn)入連續(xù)工作模式，為DCM模式設(shè)計(jì)的控制電路將失去對(duì)變換器的控制。

為使變換器安全工作，要留一定的時(shí)間裕度，一般取開關(guān)周期的20%作為死區(qū)時(shí)間[3]，設(shè)開關(guān)管關(guān)斷后，副邊整流二極管導(dǎo)通的時(shí)間為Tr，則有

DCTS+Tr≤0.8TS

如果輸出電壓已知，可以由該式聯(lián)合第1節(jié)中分析得出的輸出電壓表達(dá)式確定合適的開關(guān)管占空比和變壓器變比。

4 仿真結(jié)果分析

為了檢驗(yàn)上述分析是否準(zhǔn)確，使用MATLAB進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。主電路參數(shù)如下：輸入電源為240V直流電源，開關(guān)管為MOSFET，開關(guān)頻率為50kHz，負(fù)載電阻10Ω，變壓器原邊勵(lì)磁電感80μH，漏感為4μH，輸出電壓40V。變比為4、2、1時(shí)漏感電流和副邊電流的波形分別如圖5(a)、5(b)、5(c)所示。

圖5 漏感電流和副邊電流波形

可以看出，當(dāng)變比為4時(shí)，副邊電流上升緩慢，但是下降的很快，變換器的傳輸效率不高，死區(qū)時(shí)間很長(zhǎng)；當(dāng)變比降低到2時(shí)，副邊電流上升斜率有所增長(zhǎng)，同時(shí)下降變慢，死區(qū)時(shí)間變短；當(dāng)進(jìn)一步降低變比到1時(shí)，變換器已經(jīng)進(jìn)入連續(xù)工作模式。

5 結(jié)論

變壓器的變比設(shè)計(jì)對(duì)于雙端DCM反激變換器來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。變壓器變比同時(shí)受變換器轉(zhuǎn)換效率和DCM工作模式的約束。變壓器變比越大，轉(zhuǎn)換效率越

低；變壓器變比越小，轉(zhuǎn)換效率越高，但是死區(qū)時(shí)間變短，安全工作受到影響。找到效率和安全的平衡點(diǎn)，是雙端DCM反激變換器變壓器變比設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

[1] Abraham I.Pressman.Switching Power Supply Design[M].New York:McGraw-Hill,1998.

[2] 韓明武,劉兆元,馬吉志.雙端反激式變換器漏感效應(yīng)的研究[J].電子器件,2008,31(3):963-965.

[3] 王志強(qiáng),等譯.開關(guān)電源設(shè)計(jì)[M].北京,電子工業(yè)出版社,2006.

[4] 張占松,蔡宣三.開關(guān)電源的原理與設(shè)計(jì)[M].北京,電子工業(yè)出版社,2004.