推挽變換器在軟開關(guān)與硬開關(guān)工作模式下的比較研究??

摘要：對(duì)于工作在軟開關(guān)和硬開關(guān)兩種模式下的推挽結(jié)構(gòu)的DC/DC變換器作了比較研究，分析了它們各自的優(yōu)缺點(diǎn)，并從工程應(yīng)用角度出發(fā)，研制了一臺(tái)300W的DC/DC變換器。

關(guān)鍵詞：推挽變換器；串聯(lián)諧振；軟開關(guān)；硬開關(guān)

1??? 引言

??? 在DC/DC升壓式電路中，通常采用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有Boost、Buck?Boost和推挽三種。而當(dāng)輸入電壓比較低（如單節(jié)蓄電池供電時(shí)僅12V），功率不太大的情況下，一般優(yōu)先采用推挽結(jié)構(gòu)。

??? 硬開關(guān)在推挽電路中應(yīng)用已比較成熟，本文先針對(duì)硬開關(guān)技術(shù)，分析其在工程應(yīng)用中存在的弊端，進(jìn)而引入軟開關(guān)技術(shù)^[2,3,4]，并作一比較分析。最后，按照產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求，研制了一臺(tái)300WDC/DC變換器。結(jié)果表明，運(yùn)用這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的升壓變換器具有諸多優(yōu)點(diǎn)。

2??? 硬開關(guān)電路

2.1??? 工作原理

??? 圖1為推挽式硬開關(guān)電路的工作原理圖^[1]。它有3種工作模式：

圖1??? 硬開關(guān)電路原理圖

??? 模式1??? Q₁導(dǎo)通，Q₂截止，原邊電流流經(jīng)Q₁，同時(shí)變壓器副邊電流通過D₁和D₄向負(fù)載供電；

??? 模式2??? Q₂導(dǎo)通，Q₁截止，原邊電流流經(jīng)Q₂，同時(shí)變壓器副邊電流通過D₃和D₂向負(fù)載供電；

??? 模式3??? Q₁和Q₂都截止，原邊不向副邊傳輸能量，則負(fù)載的能量來自副邊的濾波電感L和濾波電容C。

2.2??? 分析

??? 圖2和圖3是變換器工作時(shí)功率管兩端的電壓波形。由于電感的原因，功率管導(dǎo)通電壓降呈鋸齒波形，見圖3中的v_dson。

圖2??? 功率管工作波形

圖3??? 功率管導(dǎo)通電壓降

??? 變換器工作條件如下：

??? V_i=12V，V_o=200V，I_o=1.5A；

??? f_s=50kHz，L=200μH，R₁=R₂=10Ω/2W，

??? C₁=C₂=0.01μF，功率管為BUZ100SL。

??? 測(cè)得整機(jī)效率僅為74％，且功率管發(fā)熱比較嚴(yán)重。通過改變吸收電路參數(shù)，并聯(lián)功率管，調(diào)節(jié)輸出濾波參數(shù)顯示，并聯(lián)功率管和適當(dāng)增加L值可以明顯提高整機(jī)的效率（見表1）。具體分析如下：

??? 1）增大吸收電容，可以降低功率管關(guān)斷時(shí)的沖擊電壓，減小功率管的關(guān)斷損耗，但通過吸收電容轉(zhuǎn)移過來的能量必須由吸收電路中的功率電阻在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)給消耗掉，故整機(jī)效率還是沒有提高，只是實(shí)現(xiàn)了功耗的轉(zhuǎn)移。

??? 2）并聯(lián)功率管時(shí)，開關(guān)導(dǎo)通電阻減小，在導(dǎo)通電流不變的情況下，開關(guān)的導(dǎo)通損耗下降，整機(jī)效率得以提高；

??? 3）增大輸出濾波電感時(shí)，折算到原邊的電感也隨之增大，由L=V_i可知，此時(shí)流經(jīng)功率管電流的變化率降低，電流的峰值下降，則開關(guān)的導(dǎo)通損耗也隨之下降。但當(dāng)電感增大到一定值時(shí)，由于電感自身損耗的增加大于開關(guān)導(dǎo)通損耗的減小，則整機(jī)效率反而下降。

表1??? 硬開關(guān)時(shí)效率隨參數(shù)變化情況

3??? 軟開關(guān)電路

3.1??? 工作原理

??? 圖4為軟開關(guān)電路的原理圖，圖5是理想工作波形。它有4種工作模式：

圖4??? 軟開關(guān)電路原理圖

圖5??? 理想工作波形

??? 模式1??? [0,t₁]Q₁在零電壓下導(dǎo)通，通過L_r、C_r諧振，當(dāng)流經(jīng)Q₁的電流諧振到零時(shí)，Q₁實(shí)現(xiàn)零電流關(guān)斷；

??? 模式2??? [t₁,t₂]Q₁關(guān)斷而Q₂還未導(dǎo)通時(shí)，通過變壓器剩余的激磁電流，使C_s1充電至2V_i、同時(shí)C_s2上的電壓放電到零；

??? 模式3??? [t₂,t₃]Q₂在零電壓下導(dǎo)通，通過L_r、C_r的諧振，當(dāng)流經(jīng)Q₂的電流諧振到零時(shí)，Q₂實(shí)現(xiàn)零電流關(guān)斷；

??? 模式4??? [t₃,t₄]Q₂關(guān)斷而Q₁還未導(dǎo)通，通過變壓器剩余的激磁電流，使C_s2充電至2V_i、同時(shí)C_s1上的電壓放電到零。

3.2??? 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

??? 1）元器件及參數(shù)

??? 在硬開關(guān)實(shí)驗(yàn)裝置的基礎(chǔ)上，調(diào)整部分元器件及參數(shù)。

??? （1）變壓器

??? 磁芯仍用EE55，變比由2：2：50改為2：2：42；副邊漏感為50μH。

??? （2）諧振電容

??? 2πf_s=

??? C_r=（1）

式中：f_s=50kHz為變換器的工作頻率；

????? L_r=50μH為變壓器的漏感，即諧振電感；

????? C_r為諧振電容，由式（1）可得電容為0.2μF。

??? （3）吸收及濾波參數(shù)

??? 去掉吸收電路元件R₁、C₁、R₂、C₂及濾波電感L。

??? （4）功率管

??? 采用BUZ100SL雙管并聯(lián)工作。

??? 2）分析

??? 圖6～8為變換器工作在軟開關(guān)模式下的波形。其中圖6是仿真波形，圖7和圖8是實(shí)驗(yàn)波形。由于功率管是在零電壓下開通和零電流下關(guān)斷，功率管的電壓應(yīng)力（圖7）相對(duì)于硬開關(guān)時(shí)（圖2）要小。由于功率管是在零電流下開關(guān)，故變壓器副邊側(cè)的整流二極管也工作于軟開關(guān)下，所以變換器效率能得到很大程度的提高，經(jīng)測(cè)試，最高可達(dá)92.5％。

圖6??? 功率管電壓波形

圖7??? 功率管工作電壓波形

圖8??? 諧振電流波形

4??? 比較分析

??? 為進(jìn)一步揭示軟開關(guān)工作的優(yōu)勢(shì)，在同樣的工作前提條件下，對(duì)兩種工作模式作一實(shí)驗(yàn)比較分析。

4.1??? 工作前提條件

??? 輸入/輸出電壓??????? 12V/200V

??? 輸出電流??????????? 1.5A

??? 變換器的工作頻率??? 50kHz

??? 功率管(雙管并聯(lián))??? BUZ100SL×2

4.2??? 元件比較

??? 由于變壓器原副邊的匝比降低，所以工作于軟開關(guān)模式下的變壓器可采用EE50磁芯和骨架。

??? 表2列出了兩種電路采用的不同元件。

表2??? 硬開關(guān)與軟開關(guān)兩種電路所需元件比較

??? 主要性能比較參見表3。

表3??? 硬開關(guān)與軟開關(guān)兩種電路主要性能比較

4.4??? 效率比較

??? 從圖9中可看出，推挽變換器在軟開關(guān)模式下工作效率比起硬開關(guān)模式要高。但其效率隨輸出功率的變化而變化。

圖9??? 變換器的效率

5??? 結(jié)語

??? 根據(jù)以上的理論分析及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可知，采用串聯(lián)諧振軟開關(guān)技術(shù)設(shè)計(jì)的DC/DC變換器與采用硬開關(guān)技術(shù)設(shè)計(jì)的變換器相比，具有效率高，重量輕，體積小，成本低，輸出電壓紋波小等優(yōu)點(diǎn)。