諧振復位雙開關正激變換器的研究

作者：時間：2011-02-26 來源：網(wǎng)絡

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摘要：推薦了一種諧振復位雙開關正激型DC/DC變換器。它不僅克服了諧振復位單開關正激變換器開關電壓應力大和變換效率低的缺點，而且具有占空比可以大于50％的優(yōu)點。因此，該變換器可以應用于高輸入電壓、寬變化范圍、高效率要求的場合。對該拓撲的工作原理和特性進行了詳細的描述。最后通過實驗證實了該拓撲的上述優(yōu)點。

本文引用地址：http://m.butianyuan.cn/article/179636.htm

關鍵詞：諧振復位;雙開關;正激變換器

1 概述

諧振復位單開關正激變換器，如圖1所示，是一種結構比較簡單、應用十分廣泛的DC/DC變換器。它通過諧振電容C_r上的電壓對變壓器進行復位，該復位電壓可以大于輸入電壓，因此，該變換器的占空比可以大于50％，適合于寬輸入范圍的場合。但和通常的單開關正激變換器一樣，它的開關電壓應力比較大，是輸入電壓的2倍左右，用于較高輸入電壓的場合有一定的困難。另外，每次開關S開通之前，C_r上電壓為輸入電壓，在S開通時，不僅將S的寄生電容上的能量C_ossV_in²/2消耗在開關上，同時也將C_r上的能量C_rV_in²/2消耗在S上。而C_r又是外并的諧振電容，其值可能遠遠大于開關的寄生電容，所以，可以認為該變換器的等效開關損耗大大增加，效率將會受到嚴重影響。

圖1 諧振復位單開關正激變換器

Fig.1 Resonant reset single switch forward converter

雙開關正激變換器克服了主開關電壓應力大的缺點，它每個開關的電壓應力等于輸入電壓，是單開關正激的一半左右，適用于高壓輸入場合。而且雙開關正激變換器是利用輸入電壓給變壓器進行復位，結構上也比較簡單，激磁能量和漏感能量回饋到輸入側(cè)，轉(zhuǎn)換效率比較高。因此，這種雙開關正激DC/DC拓撲被廣泛地應用于工業(yè)界，不僅僅是高壓輸入場合。但是，這種雙開關正激變換器有它的突出缺點，即只能工作在占空比小于50％的狀態(tài)，所以，不適合用在變換范圍非常寬的場合。

本文推薦了一種諧振復位雙開關正激變換器，它綜合了單開關諧振正激和雙開關正激的優(yōu)點，不僅可以工作在占空比大于50％的狀態(tài)，而且又采用雙開關結構，大大減小了開關的電壓應力。因此，該變換器適用于高電壓輸入、寬變化范圍的場合。

2 工作原理

諧振復位雙開關正激變換器的電路如圖2所示。圖2中C_oss1，C_oss2，C_oss3分別為開關S₁，S₂，S₃的寄生輸出電容，C_r為諧振電容，它并聯(lián)在S₂的漏源極之間，因C_r遠大于開關管的寄生電容，所以C_oss2可以忽略。L_m為激磁電感。為簡化分析，輸出電容C_o被認為無窮大而以恒壓源V_o代替，并假定電路已經(jīng)進入穩(wěn)態(tài)。

圖2 諧振復位雙開關正激變換器

Fig.2 Resonant reset dual switch forward converter

該變換器的一個開關周期可以分為6個工作階段，分別如圖3的6個等效電路所示。相應的工作波形如圖4所示，其中t₁－t₃為死區(qū)時間t_d1，t₅－t₆為死區(qū)時間t_d2，這些時間實際上非常短，在圖中為了更清楚地表述，將他們畫得比較大。6個工作階段的工作原理分別描述如下。

1）階段1〔t₀，t₁〕如圖3（a）和圖4所示，該階段S₁和S₂同時導通，加在變壓器原邊上的電壓為輸入電壓V_in，激磁電流線性上升。同時副邊整流二極管D_R1導通，續(xù)流二極管D_R2截止，電感L上的電流i_L線性上升。

2）階段2〔t₁，t₂〕 t₁時刻，如圖3(b)和圖4所示，S₁和S₂同時關斷，折算到原邊的負載電流和激磁電流一起對C_oss1充電，使C_oss3放電，C_oss3上的電壓v_ds3迅速下降。由于諧振電容C_r較大，在這么短的時間內(nèi)C_r上的電壓幾乎沒有上升，近似為零。因此v_T就近似等于v_ds3，也迅速下降。但此階段變壓器上的電壓v_T仍為正，所以副邊D_R1仍導通。

3）階段3〔t₂，t₃〕 t₂時刻v_T下降到零時，副邊二極管D_R1就截止，D_R2導通，i_L通過D_R2續(xù)流，在輸出電壓V_o的作用下線性下降。在原邊，激磁電感L_m和諧振電容C_r諧振，在C_r上產(chǎn)生的諧振電壓按正弦變化上升，該諧振電壓同時對變壓器進行復位，諧振電流流過S₃的體二極管，如圖3(c)和圖4所示。

4）階段4〔t₃，t₄〕 t₃時刻，S₃的門極驅(qū)動信號v_gs3變高，S₃在零電壓條件下開通，L_m和C_r繼續(xù)諧振，C_r上的正弦諧振電壓繼續(xù)對變壓器進行復位，諧振電流流過S₃，如圖3(d)和圖4所示。

5）階段5〔t₄，t₅〕如圖3(e)和圖4所示，C_r上的電壓諧振到零后，激磁電流就流經(jīng)S₂的體二極管，而S₃仍然導通，這時變壓器原邊的電壓為零，激磁電流保持不變。副邊仍然是D_R1截止，D_R2導通，電感電流繼續(xù)下降。

6）階段6〔t₅，t₆〕如圖3(f)和圖4所示，S₃在t₅時刻關斷，激磁電流對C_oss3進行充電，v_ds3一大于零，副邊整流二極管D_R1就導通，激磁電流流向變壓器副邊，但它不足以維持負載電流，所以續(xù)流二極管仍然導通。由于D_R1及D_R2都導通，變壓器上的電壓被箝在零，激磁電流保持不變。而開關S₁上的電壓被箝在V_in，S₂上的電壓則為零。