兩種雙管反激型DC/DC變換器的研究和比較??

1??? 概述

??? 反激型DC/DC變換器因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉而廣泛應(yīng)用于各種輔助電源和小功率電源中。但是，單管反激變換器主開(kāi)關(guān)電壓應(yīng)力大，在輸入電壓較高的場(chǎng)合使用起來(lái)比較困難。另外，反激變換器的變壓器漏感一般比較大，導(dǎo)致主開(kāi)關(guān)上產(chǎn)生很高的電壓尖峰，使電壓應(yīng)力進(jìn)一步增加。傳統(tǒng)的雙管反激變換器如圖1所示，其兩個(gè)主開(kāi)關(guān)的電壓應(yīng)力為輸入電壓，克服了單管反激開(kāi)關(guān)電壓應(yīng)力大的缺點(diǎn)，并且漏感能量可以回饋到輸入側(cè)，不需要吸收電路，但它帶來(lái)了占空比D不能大于50％的缺點(diǎn)，在寬范圍場(chǎng)合應(yīng)用有局限性。本文提出了一種能工作在占空比大于50％條件下的雙管反激變換器，如圖2所示，不過(guò)它和傳統(tǒng)的雙管反激相比也并非十全十美，其漏感能量需要外加緩沖電路來(lái)吸收。本文詳細(xì)、客觀地分析和比較了這兩種雙管反激變換器在工作原理和特性上的差異，闡述了一些獨(dú)特的觀點(diǎn)，并且給出了兩種雙管反激的實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較，旨在為電源設(shè)計(jì)者選用這兩種雙管反激變換器時(shí)提供理論依據(jù)和參考數(shù)據(jù)。

圖1??? 傳統(tǒng)雙管反激DC/DC變換器

Fig.1??? Conventional dual switch flyback DC/DC converter

(a)??? 結(jié)構(gòu)之一??? (b)??? 結(jié)構(gòu)之二

圖2??? 改進(jìn)后的雙管反激DC/DC變換器

Fig.2??? Improved dual switch flyback DC/DC converter

2??? 工作原理

??? 為了分析方便，假設(shè)各器件具有理想特性，電感、電容足夠大，輸入電壓沒(méi)有脈動(dòng)，電路已經(jīng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)。

??? 傳統(tǒng)雙管反激變換器在兩個(gè)開(kāi)關(guān)管S₁及S₂導(dǎo)通期間，加在變壓器原邊的電壓為輸入電壓V_in，原邊電流流過(guò)S₁及S₂，并且線性上升。副邊二極管反向偏置，副邊電流為零。當(dāng)S₁及S₂同時(shí)關(guān)斷后，原邊電流逐漸下降到零。二極管D₁及D₂隨即導(dǎo)通，由于實(shí)際電路中漏感的影響，變壓器原邊上的電壓被鉗在－V_in，副邊二極管因此導(dǎo)通。儲(chǔ)存在原邊漏感中的能量全部反饋到輸入側(cè)后，D₁及D₂關(guān)斷，變壓器原邊電壓降至副邊繞組反射電壓－nV_o（n為變壓器原邊對(duì)副邊的變比），副邊二極管維持導(dǎo)通，直到下一開(kāi)關(guān)周期開(kāi)始。

??? 改進(jìn)的雙管反激變換器，如圖2（a）及圖2（b）所示，有兩種結(jié)構(gòu)，是為了克服傳統(tǒng)雙管反激變換器占空比不能大于50％的缺點(diǎn)而提出的，因此，稱之為寬范圍雙管反激變換器。該變換器與傳統(tǒng)雙管反激結(jié)構(gòu)上的區(qū)別在于分別去掉了一個(gè)鉗位二極管，這樣會(huì)有一個(gè)主開(kāi)關(guān)的電壓應(yīng)力得不到限制，可能造成過(guò)壓，所以，要對(duì)兩個(gè)開(kāi)關(guān)的關(guān)斷次序進(jìn)行人為的控制。對(duì)于圖2（a），S₂應(yīng)該比S₁先關(guān)斷；對(duì)于圖2（b），S1應(yīng)該比S2先關(guān)斷。圖2（a）及圖2（b）所示兩種結(jié)構(gòu)的工作原理是類同的，下面就僅對(duì)圖2（b）的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

??? 同樣，在S₁和S₂導(dǎo)通期間，加在變壓器原邊上的電壓為V_in，原邊電流線性上升，同時(shí)副邊二極管截止。隨后，將S₁關(guān)斷，S₂繼續(xù)導(dǎo)通，激磁電感和S₁的結(jié)電容C₁諧振，考慮到實(shí)際中激磁電感非常大而結(jié)電容非常小，并且這段時(shí)間又非常短，所以，可以看成原邊電流對(duì)C1進(jìn)行恒流充電，C₁上的電壓線性上升。一旦C₁上的電壓到達(dá)V_in，D₁就導(dǎo)通，變壓器上電壓為零，原邊電流流過(guò)S₂和D₁且保持不變。當(dāng)S₂也關(guān)斷后，激磁電感和S₂的結(jié)電容C₂諧振，同樣可以看成原邊電流對(duì)C₂恒流充電，C₂上的電壓線性上升。當(dāng)C₂上的電壓上升到nV_o時(shí)，D₁關(guān)斷，原邊電流為零。此時(shí)，副邊二極管開(kāi)始導(dǎo)通，變壓器原邊電壓被輸出電壓V_o鉗在－nV_o，作為復(fù)位電壓，激磁電流線性下降。S₁和S₂重新開(kāi)通后，進(jìn)入下一開(kāi)關(guān)周期。

3??? 特性比較

??? 從以上的分析可以看出，傳統(tǒng)的雙管反激和寬范圍雙管反激在工作原理上十分類似，但是，兩者的特性有比較大的差異。

3.1??? 開(kāi)關(guān)電壓應(yīng)力

??? 傳統(tǒng)的雙管反激變換器兩個(gè)開(kāi)關(guān)管S₁及S₂的電壓應(yīng)力不會(huì)超過(guò)輸入電壓，因?yàn)椋?I>C₁或C₂上的電壓一旦大于輸入電壓V_in，D₁和D₂就相應(yīng)導(dǎo)通，將C₁及C₂上的電壓峰值鉗在V_in。即使是漏感在開(kāi)關(guān)管上引起的電壓尖峰也會(huì)被D₁及D₂鉗位，不會(huì)高于輸入電壓。因此，傳統(tǒng)雙管反激變換器主開(kāi)關(guān)的電壓應(yīng)力均為輸入電壓V_in。

??? 對(duì)于圖2（b）所示的寬范圍雙管反激變換器，主開(kāi)關(guān)S₁的結(jié)電容C₁上電壓達(dá)到V_in時(shí)，D₁就相應(yīng)導(dǎo)通，因此，S₁上的電壓不會(huì)超過(guò)V_in。而當(dāng)主開(kāi)關(guān)S₂的結(jié)電容C₂上電壓上升至nV_o時(shí)，D₁關(guān)斷，副邊二極管導(dǎo)通，因此，S₂上的電壓不會(huì)超過(guò)nV_o?？梢?jiàn)該變換器主開(kāi)關(guān)S₁及S₂的電壓應(yīng)力分別為V_in及nV_o。如果是圖2（a）所示的變換器，則主開(kāi)關(guān)S₁及S₂的電壓應(yīng)力分別為nV_o及V_in。但是，實(shí)際電路中漏感的存在，會(huì)引起圖2（a）中的S₁或圖2（b）中的S₂上產(chǎn)生比較大的電壓尖峰，相應(yīng)的電壓應(yīng)力要增加。所以，寬范圍雙管反激變換器的其中一個(gè)開(kāi)關(guān)管的電壓應(yīng)力要比傳統(tǒng)雙管反激的開(kāi)關(guān)電壓應(yīng)力大一些。

3.2??? 整機(jī)效率

??? 由于反激型變換器的變壓器磁芯要墊氣隙，所以，漏感比一般的變換器中變壓器要大。漏感大會(huì)直接導(dǎo)致主開(kāi)關(guān)上產(chǎn)生很高的電壓尖峰，需要另外加緩沖電路吸收。在上面對(duì)寬范圍雙管反激變換器的原理分析中，為簡(jiǎn)單起見(jiàn)而忽略了漏感的影響，但實(shí)際上漏感是不可能為零的，因此，圖2（a）中的S₁及圖2（b）中的S₂上都會(huì)有漏感引起的電壓尖峰，需要加RCD電路加以吸收，則在R上損失比較多的能量。

??? 而對(duì)于傳統(tǒng)的雙管反激變換器，在反激開(kāi)始時(shí)，儲(chǔ)存在漏感中的能量通過(guò)D₁及D₂全部反饋到輸入側(cè)，系統(tǒng)能量損失相對(duì)要小。

??? 因此，在相同規(guī)格以及開(kāi)關(guān)條件下，傳統(tǒng)的雙管反激變換器要比寬范圍雙管反激變換器整機(jī)效率高一些。

3.3??? 寬范圍適應(yīng)性

??? 傳統(tǒng)的雙管反激變換器有兩個(gè)二極管D₁和D₂在復(fù)位階段對(duì)變壓器鉗位，所以，變壓器上的復(fù)位電壓不能超過(guò)輸入電壓，如圖3（a）所示。也就是要滿足以下條件：

??? V_inD<=V_reset(1－D)<=V_in(1－D)（1）

??? 可以推出

??? D<=50％（2）

??? 可見(jiàn)傳統(tǒng)的雙管反激變換器不能工作在占空比大于50％，這就使其在寬范圍場(chǎng)合應(yīng)用時(shí)遇到了困難。

??? 而本文提出的寬范圍雙管反激變換器沒(méi)有這個(gè)條件限制，變壓器上的復(fù)位電壓可以大于輸入電壓，如圖3（b）所示，所以，能夠工作在占空比大于50％。另外，反激變換器的輸入輸出電壓滿足D/(1－D)的關(guān)系。通常，變換器的輸入輸出電壓有4種關(guān)系，即D，1/(1－D)，D/(1－D)，D(1－D)。在這4種關(guān)系中，D/(1－D)的寬范圍適應(yīng)性要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于其它幾種關(guān)系。寬范圍雙管反激變換器的增益正好是D/(1－D)的關(guān)系，所以，這種變換器的輸入或輸出電壓調(diào)節(jié)范圍很寬，特別適合用于超寬范圍場(chǎng)合。

(a)??? 傳統(tǒng)的雙管反激??? (b)??? 改進(jìn)的雙管反激

圖3??? 兩種變換器的變壓器上的波形比較

Fig.3??? Transformer waveform compariso of two converters?

??? 從以上的分析和比較可以看出，改進(jìn)的雙管反激變換器在寬范圍適應(yīng)性上有了很大的提高，但整機(jī)效率相對(duì)下降，其中的一個(gè)開(kāi)關(guān)管電壓應(yīng)力也有所增大。所以，這兩種雙管反激變換器在性能上各有優(yōu)劣（見(jiàn)表1），在選用這兩種變換器時(shí)一般遵循以下原則：在效率要求比較高，但輸入或輸出電壓調(diào)節(jié)范圍不是很寬的場(chǎng)合，可以選用傳統(tǒng)的雙管反激變換器；而在輸入或輸出電壓范圍很寬，但效率要求不是非常高的情況下，可以選用寬范圍雙管反激變換器。當(dāng)然，選用這兩種變換器的前提是輸入電壓比較高，不然選用單管反激就可以了。

表1??? 兩種變換器的性能比較

Tab.1??? Performance comparison of two converters

4??? 實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較

??? 兩臺(tái)分別采用傳統(tǒng)雙管反激和寬范圍雙管反激拓?fù)涞臉訖C(jī)驗(yàn)證了以上的分析和比較。為了具有可比性，這兩臺(tái)樣機(jī)的規(guī)格和參數(shù)須保持一致，只是傳統(tǒng)的雙管反激變換器的輸入電壓范圍是250～400V，寬范圍雙管反激的輸入電壓范圍為100～400V。這兩臺(tái)樣機(jī)的其他規(guī)格和參數(shù)如下：

??? 輸出電壓V_o??? 24V；

??? 輸出電流I_o??? 0～4A；

??? 工作頻率f??? 108kHz；

??? 主開(kāi)關(guān)S₁及S₂??? IRF840；

??? 整流二極管D_R1??? Halfof30CPQ100；

??? 變壓器T??? n=160∶20，L_m=7.2mH，L_s=180μH；

??? 鉗位二極管D₁（D₂）??? BYV26C。

??? 圖4（a）、（b）、（c）是300V輸入2.5A輸出時(shí)傳統(tǒng)雙管反激變換器的主要實(shí)驗(yàn)波形。圖4(a)是變壓器原邊的電壓波形，正向電壓為300V，反向復(fù)位電壓大約為200V。圖4(b)是開(kāi)關(guān)管S₁漏源間的電壓波形，其峰值為300V，然后經(jīng)過(guò)一個(gè)振蕩降至275V左右。圖4(c)是開(kāi)關(guān)管S₂漏源間的電壓波形，其峰值為300V，經(jīng)過(guò)振蕩降至225V左右。兩個(gè)開(kāi)關(guān)管S₁及S₂的峰值電壓均未超過(guò)輸入電壓。

(a)??? v_T of T??? (b)??? v_ds of S₁??? (c)??? v_ds of S₂

(d)??? v_T of T??? (e)??? v_ds of S₁??? (f)??? v_ds of S₂

圖4??? 實(shí)驗(yàn)波形

Fig.4??? Experimental waveform

??? 圖4（d）、（e）、（f）是150V輸入4A輸出時(shí)寬范圍雙管反激變換器的主要實(shí)驗(yàn)波形。圖4（d）是變壓器原邊的電壓波形，正向電壓為輸入電壓150V，反向復(fù)位電壓大約為200V，已經(jīng)超過(guò)輸入電壓，占空比大約為57％，說(shuō)明該變換器占空比可以大于50％。圖4(e)是開(kāi)關(guān)管S₁漏源間的電壓波形，其峰值為150V，然后經(jīng)過(guò)一個(gè)振蕩降至130V左右。圖4(f)是下管S₂漏源間的電壓波形，其峰值為280V，然后經(jīng)過(guò)一個(gè)振蕩降至220V左右。

??? 兩個(gè)主開(kāi)關(guān)上的漏源電壓值和理論分析的有一定偏差（理論上S₁平臺(tái)電壓應(yīng)該為輸入電壓，S₂平臺(tái)電壓應(yīng)該是輸出電壓折算到原邊的值，約為200V），這是因?yàn)樵趯?shí)際工作中變壓器漏感的影響。當(dāng)S₁關(guān)斷，S₁的漏源電壓上升到輸入電壓，但是，等到S₂關(guān)斷后，由于漏感的影響，S₂的漏源電壓會(huì)有一個(gè)振蕩，期間會(huì)使得S₁的漏源電壓有所下降，而使S₂的漏源電壓略高于理論值。

??? 圖5給出了兩種變換器在滿載(4A)時(shí)不同輸入電壓下的效率曲線。效率2是傳統(tǒng)雙管反激變換器的滿載效率曲線，輸入電壓為350V時(shí)效率最高，為92％。效率1是寬范圍雙管反激變換器的滿載效率曲線，輸入電壓為350V時(shí)效率最高，為89.3％。通過(guò)比較可以看到，傳統(tǒng)雙管反激變換器的整機(jī)效率要高于寬范圍雙管反激變換器，但是后者的輸入電壓范圍有4倍的變化范圍，有很強(qiáng)的寬范圍適應(yīng)性。這也進(jìn)一步驗(yàn)證了前面的分析。

圖5??? 滿載4A不同輸入電壓下的效率曲線

Fig.5??? Efficiency at full load under different input voltage

5??? 結(jié)語(yǔ)

??? 不管是傳統(tǒng)的雙管反激DC/DC變換器還是寬范圍雙管DC/DC反激變換器，和單管反激相比都具有主開(kāi)關(guān)電壓應(yīng)力低的優(yōu)點(diǎn)。

??? 此外，傳統(tǒng)的雙管反激變換器整機(jī)效率比較高，但不能工作在占空比大于50％。因此，適合于高輸入電壓、高性能要求而寬范圍要求不太高的輔助電源或較小功率電源應(yīng)用。

??? 寬范圍雙管反激變換器的占空比可以大于50％，并且輸入輸出電壓具有寬范圍適應(yīng)性特別強(qiáng)的D/(1－D)的關(guān)系，因此，適用于高輸入電壓和特別寬輸入電壓范圍的場(chǎng)合。