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，并從工程應(yīng)用角度出發(fā)，研制了一臺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，通常采用的拓撲結(jié)構(gòu)有Boost、BuckBoost和推挽三種。而當輸入電壓比較低（如單節(jié)蓄電池供電時僅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，本文先針對硬開關(guān)技術(shù)，分析其在工程應(yīng)用中存在的弊端，進而引入軟開關(guān)技術(shù)^[2,3,4]，并作一比較分析。最后，按照產(chǎn)品設(shè)計要求，研制了一臺300WDC/DC變換器。結(jié)果表明，運用這種拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計的升壓變換器具有諸多優(yōu)點。

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，同時變壓器副邊電流通過D₁和D₄向負載供電；

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

模式3 Q₁和Q₂都截止，原邊不向副邊傳輸能量，則負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。

測得整機效率僅為74％，且功率管發(fā)熱比較嚴重。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)功率管和適當增加L值可以明顯提高整機的效率（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開關(guān)周期內(nèi)給消耗掉，故整機效率還是沒有提高，只是實現(xiàn)了功耗的轉(zhuǎn)移。

2）并聯(lián)功率管時，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，整機效率得以提高；

3）增大輸出濾波電感時，折算到原邊的電感也隨之增大，由L=V_i可知，此時流經(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。但當電感增大到一定值時，由于電感自身損耗的增加大于開關(guān)導(dǎo)通損耗的減小，則整機效率反而下降。

表1 硬開關(guān)時效率隨參數(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