软开关谐振复位双管正激DC_DC变流器

2009年10月电工技术学报Vol.24No.10第24卷第10期TRANSACTIONSOFCHINAELECTROTECHNICALSOCIETYOct.2009软开关谐振复位双管正激DC/DC变流器洪小圆陈威吕征宇（浙江大学电力电子国家专业实验室杭州310027）摘要提出了一种新颖的双管正激DC/DC变流器，利用谐振复位使变流器工作在0.5以上的占空比，利用变压器二次侧串联饱和电感的方法使变流器所有开关管实现软开关，适于宽范围输入、高效率要求的应用场合。分析了变流器的工作原理，对变流器的特性进行了详细的分析。最后以一台250～400V直流输入，54V/5A输出的样机验证了该变流器的可行性。关键词：双管正激谐振复位软开关饱和电感中图分类号：TM46；TM13Soft-SwitchingResonantResetDualSwitchForwardDC/DCConverterHongXiaoyuanChenWeiLüZhengyu（ZhejiangUniversityHangzhou310027China）AbstractThispaperpresentsanewdualswitchforwardDC/DCconvertertopology.Thedutycyclecanbemorethan0.5byresonantreset.Inaddition,softswitchingoperationisachievedforallswitchesofthepresentedconverterbyaddingasaturablereactor.Itmeansthattheconverterisveryattractiveforwiderangeinputandhighefficiencyapplication.Inthispaper,theoperationprincipleandcharacteristicofthisconverterareanalysedindetails.Finally,theadvantagesmentionedaboveareverifiedbya250～400Vinput,54V/5Aoutputprototype.Keywords：Dualswitchforward,resonantreset,softswitching,saturablereactor1引言目前，正激变流器在低压、大电流、功率较大的场合得到广泛的应用，但是传统的单晶体管正激变流器的开关管承受两倍的输入电压应力，由于目前工艺水平，FET管的工作电压不能太高，400V左右的管子价格低廉一些[1]，使得单管正激变流器不能用在较高输入场合下。双管正激变流器的出现解决了这个问题，它每个开关管的电压应力等于输入电压，是单管正激的一半左右，而且结构简单、可靠性高，在工业界得到广泛的应用。但是传统的双管正激变流器是利用输入电压为变压器复位，故开关占空比不能超过0.5，不能在宽范围的输入场合下使用。针对这个问题，目前主要有RCD复位、有源钳位、谐振复位双管正激变流器三种解决方案[2]，其中RCD复位方式效率昀低，有源钳位方式需要的开关管数量昀多，谐振复位电压应力昀高；文献[3]提出的RCD复位电路减少了复位电阻R上的损耗；文献[4]提出的有源钳位双管正激利用饱和电感实现了所有开关管的软开关。另外，文献[5]对目前的软开关双管正激拓扑进行了分析与评价。针对双管正激开关占空比被限制在0.5以内及变流器开关管硬开关损耗大的问题，本文提出了一种新颖的软开关谐振复位双管正激变流器拓扑。2工作原理图1中Vin为输入电压，S1、S2为主开关，S3为辅助开关，Coss1、Coss2、Coss3分别为S1、S2、S3的输出寄生电容，VD1、VD2、VD3分别为S1、S2、S3的体二极管，Lm为变压器的励磁电感，Cr为谐振电容，VDr、VD4为钳位二极管，Ls为饱和电感，VDR1为整流二极管，VDR2为续流二极管，L、Co国家自然科学基金资助项目（50677063ZD）。收稿日期2008-07-15改稿日期2008-11-1166电工技术学报2009年10月分别为输出滤波电感和电容，Ro为负载；VT为变压器一次电压，iLm为励磁电流，iVDR1为流过整流二极管VDR1的电流，iVDR2为流过续流二极管的电流，iL为流过输出电感的电流，Vds1、Vds2、Vds3分别为S1、S2、S3漏源极间的电压，Vr为谐振电容Cr两端电压，即谐振电压。VTs为变压器二次电压，VTd为饱和电感与整流二极管相交点对输出地的电压。图1软开关谐振复位双管正激变流器Fig.1Soft-switchingresonantresetdualswitchforwardconverter本文提出的变流器工作在恒定频率下，每一个开关周期有11个开关模态，为方便分析，做如下假设：①所有元器件均视为理想；②Coss1=Coss2=Coss3；③Co足够大而以恒压源Vo代替；④电路已经进入稳态。11个开关模态的工作原理描述如下：模态1：t0～t1。该阶段S1和S2同时导通，S3关断，Vin加在变压器一次侧，励磁电流iLm线性上升，Ls处于饱和状态，VDR1导通，VDR2截止，iL电流线性上升。模态2：t1～t2。t1时刻S1、S2同时关断，此时VT仍为正，故励磁电流继续上升，VDR1仍旧导通。励磁电流iLm和负载电流同时给Coss1和Coss2充电，给Coss3放电，由于谐振电容CrCoss3，故此阶段Cr上电压变化不大，Coss1充电电流等于Coss3放电电流与Coss2充电电流之和，故Coss1充电速度昀快，Vds1迅速上升。模态3：t2～t3。t2时刻Vds1上升到Vin，VD4导通，使Vds1钳位在Vin；该阶段VT＜0，VDR1截止，输出电流通过VDR2续流。由于Coss2充电比Coss1慢，故Vds1上升到Vin时Vds2＜Vin，励磁电流继续对Coss2充电，对Coss3放电。模态4：t3～t4。t3时刻Coss3放完电，Vds3降到0，VD3导通，使S3漏源极电压钳位在零电压。谐振电容Cr与Coss2并联后与励磁电感Lm谐振，CrCoss2，故可视为Cr与Lm谐振，谐振电压持续上升。Vds2为输入电压与谐振电压的和，此电压反向加在变压器一次侧，对变压器进行复位。模态5：t4～t5。t4时刻S3驱动信号Vgs3变高，S3实现零电压开通，Cr与Lm继续谐振，Vds2继续上升对变压器进行复位。模态6：t5～t6。t5时刻谐振电压到达昀大值，励磁电流iLm谐振到0，Cr与Coss1开始放电，励磁电流反向，故VD4截止，谐振回路由Cr、Coss2、Coss1、Lm组成，其中Cr与Coss2并联后与Coss1串联，CrCoss1，故谐振回路近似于Cr与Coss1串联谐振，Vds1、Vds2均谐振下降，励磁电流iLm反向谐振上升。模态7：t6～t7。t7时刻Coss1放电完毕，Vds1降到0，VD1导通，谐振回路由Cr、Coss2、Lm组成，励磁电流流过VD1，该阶段变压器复位电压等于谐振电压Vr，iLm继续反向增加。模态8：t7～t8。t7时刻Cr上电压Vr谐振到0，VDr导通，钳位Cr两端电压，励磁电流iLm通过VD1、VDr续流，并保持不变。VT保持为0。模态9：t8～t9。t8时刻S3关断，励磁电流通过对Coss3进行充电，对Coss2进行放电，Vds2开始下降，VT开始变为正，但由于二次侧饱和电感还未饱和，电感很大，故阻挡了VDR1的导通。模态10：t9～t10。t9时刻Vds2下降到0，VD2导通，故输入电压Vin加到变压器一次侧，即VT=Vin，励磁电流iLm向着正方向线性上升。图2变流器主要工作波形Fig.2Priciplewaveformsoftheproposedconverter第24卷第10期洪小圆等软开关谐振复位双管正激DC/DC变流器67模态11：t10～t11。t10时刻S1、S2驱动电压Vgs1、Vgs2同时变高，S1、S2实现零电压开通，二次侧饱和电感未饱和，故VDR1仍旧截止。直到t11时刻，Ls饱和，VDR1导通，VDR2截止，变压器开始传送能量到输出电感上，iL线性上升，电路又回到下一周期的模态1。从以上分析可知，S1的电压应力为输入电压，S2的电压应力为输入电压加上谐振电压峰值，S3的电压应力为输入电压。而复位电压在谐振的前段时间为输入电压与谐振电压的和，后段时间为谐振电压。图3各个模态的等效电路Fig.3Equivalentcircuitofeachstage3特性分析图1所示电路利用谐振电容Cr与励磁电感Lm之间的谐振电压叠加输入电压对变压器进行磁复位，所以主开关管S1、S2的占空比可以超过0.5，另外再利用饱和电感Ls延迟二次侧整流二极管的导通，使励磁电流有条件在S2开通前将Coss2上的电荷放完，实现S2的零电压开通。下面针对变流器的68电工技术学报2009年10月特性进行详细分析。（1）谐振电压及S2的电压应力跟输入电压的关系设变流器的输入电压范围为Vin(min)～Vin(max)，当输入电压在工作范围内变化时，由伏秒平衡得inmaxin(min)DTVDTV=（1）式中T——开关周期；D——主开关管在输入电压变化时的相应占空比；Dmax——输入电压昀小时对应的昀大占空比。可见输入电压Vin和占空比D成反比，输入电压越大，占空比越小。变压器在每个开关周期都经历了磁化及磁复位的过程，根据伏秒平衡可得maxin(min)maxr(max)01(1)[sin]d()DTVDTVttωωπ=−+π∫maxin1(1)2DTV−（2）式中Vr(max)——谐振电压正弦半波的峰值。输入电压变化时，占空比会跟着改变，而谐振频率取决于励磁电感和谐振电容，对于电路参数已定即Dmax已定的情况，谐振周期Tr是固定的，且Tr≤2(1−Dmax)，现假设励磁电感与谐振电容设计满足Tr=2(1−Dmax)，当输入电压在Vin(min)～Vin(max)范围内变化时，结合式（1）和式（2）可求得谐振电压峰值为r(max)maxin(min)max2141VDVDD⎛⎞π=−⎜⎟−⎝⎠（3）则S2的电压应力可表示为ds2r(max)inmaxin(min)max12441VVVDVDD⎛⎞π−π=+=+⎜⎟−⎝⎠（4）随着输入电压Vin变大，主开关管占空比D变小，谐振电压峰值变小，但是开关管S2的电压应力变大，故S2在输入电压昀大时电压应力昀大。（2）S2的昀大电压应力跟昀大占空比Dmax的关系从上面分析已知，输入电压昀大时，S2承受昀大电压应力，将输入昀大电压对应的昀小占空比Dmin代入式（4），即可求得S2昀大电压应力Vds2(max)与变流器主开关管工作的昀大占空比之间的关系式ds2(max)V=in(max)in(min)in(max)maxmax(4)[2(4)]4(1)VVVDD−π+π−−π−（5）从式中可看出昀大占空比Dmax越大，S2电压应力Vds2(max)就越大，则所选的开关管耐压就要越高。（3）实现软开关的条件为方便分析，记图2中死区时间t1～t4、t8～t10分别为td1和td2，Vds2上升时间t1～t3为tr，Vds2下降时间t8～t9为tf，饱和电感Ls饱和所需时间t8～t11为ts。从前面的工作原理分析可以看出，Vds1在t6时就已经被钳位在零电压，故S1的零电压开通很容易实现。下面主要分析S2和S3的软开关条件。S3实现零电压开通的条件是S3在Vds3下降到0，即Vds2上升到Vin后开通，即td1≥tr，此时励磁电流流过S3的体二极管VD3，将Vds3钳位在零电压。Vds2上升时间分为两段，前段为VT＞0，二次侧整流二极管VDR1仍旧导通，Coss2充电电流包括励磁电流跟负载电流，记为tr1；后段为VT＜0后，二次侧整流二极管VDR1关断，故给Coss2充电的电流只有励磁电流，记为tr2。因为tr1，tr2都很小，可认为充放