具有非線性電壓轉換有源箝位正激變換器*

周雪會,孔繁鎳

(1.廣西工業(yè)職業(yè)技術學院電子與電氣工程系,南寧 530004;2.廣西大學電氣工程學院,南寧 530004)

具有非線性電壓轉換有源箝位正激變換器*

周雪會1*,孔繁鎳2

(1.廣西工業(yè)職業(yè)技術學院電子與電氣工程系,南寧 530004;2.廣西大學電氣工程學院,南寧 530004)

提出一種具有非線性電壓轉換的正激變換器,通過在有源箝位正激變換器的變壓器二次側增加一個續(xù)流二極管和一個輸出濾波電感得到。該變換器保留了有源箝位正激變換器的優(yōu)點,同時,具有更高的占空比利用率,使得其具有寬輸入電壓適應范圍,軟開關的實現(xiàn)和二極管電壓電流應力的減小,使其功率轉換效率進一步提高。研制了一臺50 V～100 V輸入,12 V輸出的原理樣機,實驗結果驗證了理論分析的正確性以及該技術的可行性。

非線性;寬輸入電壓范圍;有源箝位;軟開關

正激變換器已經廣泛應用于工業(yè)場合,但正激變換器需要附加電路使變換器的磁復位,同時,變壓器漏感造成的開關尖峰電壓需要RC抑制,但大部分磁化能量耗散在箝位電阻上,轉換效率無法提高。有源箝位磁復位技術可以減少開關的電壓尖峰,還可以降低開關損耗,因此有源箝位正激變換器得到了廣泛的應用,為了提高其性能,近年來對其也做了大量的實驗研究。

文獻[1-6]通過改進拓撲結構改善變換器性能.文獻[1]提出一種堆疊式有源箝位正激變換器,適用于隔離型高增益DC/DC變換器,可以減少關斷電流,降低開關損耗;文獻[2]提出一種新型的交錯并聯(lián)有源箝位正激變換器,占空比可以拓寬到0.5以上,適用于寬輸入電壓應用場合;文獻[3]提出三開關有源箝位正激變換器,實現(xiàn)軟開關的同時,可以降低開關管電壓應力;文獻[4]提出一種三相交錯式升壓變換器,降低整體電流紋波和開關損耗;文獻[5]提出一種有源箝位反激變換器,采用交錯結構,減小電壓尖峰,降低電壓電流應力;文獻[6]將兩路有源箝位電路輸入串聯(lián)輸出交錯并聯(lián),降低輸出電容輸出電流紋波;文獻[7-8]改進控制方式,將峰值電流模式應用于有源箝位正激變換器,增強系統(tǒng)的閉環(huán)性能。但拓撲結構改進和控制方式的優(yōu)化,增加了電路的復雜程度。

提高輸入電壓適應范圍的難點之一是:在輸入電壓邊限時,電路仍應有足夠的增益以維持正常的輸出電壓。僅從輸出穩(wěn)壓的角度看,輸入電壓變大時減小占空比即可;輸入電壓變小時需增大占空比,但占空比變化范圍是有限的。輸入電壓范圍受占空比制約。為了提高變換器電壓適應范圍,文獻[9]提出一種高增益有源箝位變換器,采用倍壓整流和堆疊式輸出結構,提供了高電壓增益,降低了功率器件的電壓應力;文獻[10]提出一種低開關應力的并聯(lián)正激變換器,并聯(lián)結構實現(xiàn)輸出電流的均分,減小整流二極管和輸出電感的電流應力;文獻[11]提出一種新型串聯(lián)輸入并聯(lián)輸出正激變換器,適應于高輸入電壓場合,串聯(lián)輸入降低了開關管電壓應力,并聯(lián)輸出降低濾波器體積;文獻[12]提出一種高升壓DC/DC變換器,采用耦合電感和開關電容技術,電容并聯(lián)充電串聯(lián)放電,使耦合電感得到高升壓增益和適當占空比;文獻[13]提出一種新型的變換結構,由耦合電感和二極管組成,使得變換器具有高升壓或降壓增益。但上述結構仍較為復雜。

本文研究了一種具有非線性電壓轉換有源箝位正激變換器,通過改進電路二次側結構,降低了二次側二極管電壓電流應力,該變換器具有更高的占空比利用率,可以應用于高降壓增益場合,且結構簡單,易于控制。

1 工作原理

圖1為非線性電壓轉換有源箝位正激變換器的電路拓撲,其中S1是主開關管,S2是箝位開關管,Cc是箝位電容,C1,C2是開關管寄生電容,Lr是漏磁電感,Lm是勵磁電感,VD1,VD2是開關管的體二極管,D1是副邊整流二極管,D2、D3是續(xù)流二極管,輸出濾波電感L,輸出電容Co,變壓器原邊匝數(shù)N1,副邊匝數(shù)N2。占空比為D。

圖1 非線性電壓轉換有源箝位正激變換器

為了便于分析,作一下假設:

(1)箝位電容Cc遠大于開關管的寄生電容,此外箝位電容的電壓幾乎保持不變;

(2)諧振電感為漏感和外部電感之和;

(3)輸出電感值足夠大,且L1=L2,且流過電流值不變。

1.1 工作模態(tài)

在一個開關周期內,主要工作波形如圖2所示,該變換器存在8個開關模態(tài),圖3給出了該變換器在不同開關狀態(tài)下的等效電路。

圖2 變換器關鍵波形

開關模態(tài)1[t0～t1]:如圖3(a)所示,在t=t0時刻,S1導通,S2關斷,此時S1兩端電壓VDS1=0,變壓器一次側繞組兩端電壓Vp=Uin,勵磁電流iLm線性上升,功率由變壓器一次側傳遞到變壓器二次側,D1導通,D2、D3截止,此階段,箝位功率開關管S2上的電壓為-VCc,在t1時刻,S1關斷,持續(xù)時間t1-t0=DT,可得:

(1)

圖3 變換器工作模態(tài)等效電路

開關模態(tài)2[t1～t2]:如圖3(b)所示,在t1時刻,主功率開關管S1的驅動信號變低,S1進入關斷程序,由于S1兩端電容的存在,其兩端電壓不會發(fā)生突然改變,因而S1能夠實現(xiàn)零電壓關斷,S2仍處于關斷狀態(tài),二次側D1繼續(xù)導通工作。此時,勵磁電流iLm以及負載電流耦合到一次側的電流Io/n一起給電容Cr充電,通常情況下Io/n遠遠大于iLm,因此VDS1從零開始線性上升,到t2時,Cr兩端的電壓上升至輸入電壓Vin,此時電流iLm上升至最大值,具有如下關系式:

(2)

開關模態(tài)3[t2～t3]:如圖3(c)所示,由于t2時刻電壓VDS1上升至Vin,所以一次側電壓為零,iLm保持不變,因而這段時間內,只有漏感Lr與Cr參與諧振,勵磁電感不參與;此外,二次側兩端電壓也為零,因此整流功率二級管D1、D2和D3都導通工作,處于換流過程,此階段表達式如下:

(3)

開關模態(tài)4[t3～t4]:如圖3(d)所示,t3時刻,VDS1上升至箝位電壓Vin/(1-D),S2的寄生體二極管導通工作,此時S2的漏源兩端電壓為零,此后給S2驅動信號即可完成S2的零電壓開通。此時勵磁電感Lm兩端的電壓仍然保持為零,電流iLr仍會減小,此時電感Lr與箝位電容Cc處于諧振過程。此階段具有如下關系式:

(4)

開關模態(tài)5[t4～t5]:如圖3(e)所示,在t4時刻給開關管S2驅動信號,此時S2實現(xiàn)零電壓導通,此時電感Lr、Lm與箝位電容Cc處于諧振狀態(tài),磁芯開始復位,直到t=t5時,此時箝位功率開關管S2被關斷,此階段表達式如下:

(5)

開關模態(tài)6[t5～t6]:如圖3(f)所示,當t=t5時,此時S2關斷不工作,電流iLr通過寄生電容Cr進行續(xù)流工作,此時變壓器一次側繞組兩端電壓為Vp=-DVin/(1-D),并且此時二次側繞組兩端電壓Vs也為負,因而二極管D2、D3繼續(xù)導通,D1截止,二次側續(xù)流工作。一次側電感Lr、Lm與Cr諧振,Cr兩端電壓從Vin/(1-D)開始放電減小,到t6時刻,Cr兩端電壓下降至Vin。此階段表達式如下:

(6)

開關模態(tài)7[t6～t7]:如圖3(g)所示,在t8時刻,VDS1=Vin,此時變壓器一次側勵磁電感兩端電壓被箝位為零,此時二次側電壓也為零。諧振則是發(fā)生在Lr與Cr之間,電感Lr上的電壓極性將會發(fā)生改變,于是iLr將升高。此外,二次側整流功率二極管D1、D2和D3同時導通工作,此階段二次側處于換流階段,得到如下關系式:

(7)

開關模態(tài)8[t7～t0+TS]:如圖3(h)所示,當t=t7時刻,從Vcr=0,S1的體二極管VD1開始導通,D1、D2和D3同時導通,電感Lr、Lm兩端的電壓為Vin,其電流iLr繼續(xù)上升但仍為負,絕對值線性減小,表達式如下:

(8)

2 電路參數(shù)分析

2.1 電壓增益

如果忽略電路中漏感的影響,在主開關S1開通時間內DT時間內,勵磁電感兩端電壓為Vin,而在主開關關斷時間(1-D)T內,其兩端電壓VCc,根據伏秒平衡,可得:

(9)

同樣,根據濾波電感L1和L2伏秒平衡,可得:

(10)

式(10)簡化后,得:

(11)

本文提出的變換器的電壓增益比傳統(tǒng)有源箝位正激變換器低,對于高輸入輸出增益場合,變換器的占空比可以避免取到極端值,該變換器可以應用于寬范圍輸入電壓場合

2.2 電流有效值

主開關管S1的有效值為:

(12)

與傳統(tǒng)有源箝位變換器相比,主開關管電流有效值減小到原來的1/(2-D),則主開關管通態(tài)損耗也減小到原來的1/(2-D)。

副邊二極管電流有效值表達式:

(13)

由式(13)可知,流過二極管的電流有效值也減小為傳統(tǒng)有源箝位變換器的1/(2-D),則二極管的通態(tài)損耗也減小為原來的1/(2-D)。

2.3 電壓應力

整流二極管電壓應力表達式:

(14)

續(xù)流二極管電壓應力表達式:

(15)

由式(14)、式(15)可知,二極管的反向電壓應力減小為原來的1/(2-D),降低二極管的應力的同時,也降低了反向損耗。

3 實驗驗證

表1為非線性電壓轉換有源箝位正激變換器與傳統(tǒng)有源箝位正激變換器參數(shù)對比。

表1 為非線性與傳統(tǒng)有源箝位正激變換器參數(shù)對比

圖4為非線性電壓轉換有源箝位正激變換器滿載波形,圖中分別為箝位開關管驅動信號VGS2,主開關管驅動信號VGS1,主開關管漏源電壓VDS1,漏感電流iLr,對應輸入電壓100 V,由波形可知,該變換器可以在額定輸入滿載情況下可以正常工作。

圖4 非線性電壓轉換有源箝位正激變換器滿載波形

圖5為輸入電壓100 V滿載時軟開關實驗波形,圖5(a)和圖5(b)分別是主開關管S1和箝位開關管S2驅動以及漏源電壓波形,由圖可知,當開關管驅動信號變?yōu)楦唠娖降臅r,其漏源電壓已經降為零,其內部的體二極管已經導通,此時開關管實現(xiàn)零電壓導通,當開關管驅動信號變?yōu)榈碗娖綍r,由于開關管寄生電容存在,電壓不能突變,其漏源電壓仍為零,此時實現(xiàn)了零電壓關斷,從而可知,該非線性變換器實現(xiàn)了軟開關。

圖5 軟開關實驗波形

圖6 效率隨輸入電壓變化的曲線

圖6為非線性電壓轉換有源箝位正激變換器不同輸出功率下隨輸入電壓變化的效率曲線,由圖可知,在整個輸入電壓范圍內變換器均能達到較高效率,且輸入電壓對變換效率影響不大,變換器適應于寬輸入電壓范圍應用。

4 結論

在有源箝位正激變換器基礎上,提出了一種非線性降壓變換器,對其進行了詳細的理論分析以及實驗驗證。由理論分析及實驗結果可知,非線性有源箝位正激變換器在實現(xiàn)軟開關的基礎上,具有較高的占空比利用率,適應于高降壓增益場合,同時可以降低二次側二極管電壓電流應力,使得變換器具有較高的功率轉換效率。由此可知,本文研究的非線性降壓變換器,在提高輸入電壓適應范圍的同時,進一步的優(yōu)化了變換器的工作特性,如效率、應力等,且其結構簡單,容易控制。該技術可以與大部分隔離變換器結合使用,具有一定的可塑性,可獨立作為寬輸入變換器的一種實現(xiàn)思路。

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Active-ClampForwardConverterwithNon-LinearVoltageConversion*

ZHOUXuehui1*,KONGFannie2

(1.Department of Electrical and Electronic Engineering,Guangxi Vocational&Technical Institute of Industry,Nanning 530004,China;2.School of Electrical Engineering, Guangxi University,Nanning 530004,China)

An active-clamp forward converter with non-linear voltage conversion is proposed. By adding a flywheel diode and an output inductor on the secondary side of forward converter,the advantages of active-clamp forward converter are retained,the range of input voltage is widened because of increasing duty utilization ratio,and the conversion efficiency is improved because of realization of soft switching and reducing the voltage and current stress of diodes. A prototype converter with input voltage ranging from 50 V to 100V,an output voltage of 12 V is built to be verified by the correctness of the theoretical analysis and the feasibility of the proposed technique.

non-linear conversion;wide input-voltage range;active-clamp;soft switching

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.06.023

項目來源:國家自然科學基金項目(51167003);廣西自然科學基金項目(2014gxnsfaa118320)

2016-09-24修改日期2016-11-22

TM315

A

1005-9490(2017)06-1445-06

周雪會(1981-),女,碩士,講師,主要研究方向為電力系統(tǒng)動態(tài)仿真及實時控制,電力系統(tǒng)控制等。