推挽變換器在軟開關(guān)與硬開關(guān)工作模式下的比較

作者：時間：2011-05-23 來源：網(wǎng)絡

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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、Buck?Boost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)導通電阻減小，在導通電流不變的情況下，開關(guān)的導通損耗下降，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

電感L/μH		100	200	400	500
效率/％	單管	72	74	82	80
效率/％	并管	75	78	88	84

電感的增加，帶來變換器的體積和成本的增大。如何在不增加變換器的體積和成本的基礎(chǔ)上提高效率？因此將串聯(lián)諧振軟開關(guān)技術(shù)引入到推挽變換器中^[2,3,4]。

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在零電壓下導通，通過L_r、C_r諧振，當流經(jīng)Q₁的電流諧振到零時，Q₁實現(xiàn)零電流關(guān)斷；

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

模式3 [t₂,t₃]Q₂在零電壓下導通，通過L_r、C_r的諧振，當流經(jīng)Q₂的電流諧振到零時，Q₂實現(xiàn)零電流關(guān)斷；

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

3.2 實驗結(jié)果

1）元器件及參數(shù)

在硬開關(guān)實驗裝置的基礎(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是實驗波形。由于功率管是在零電壓下開通和零電流下關(guān)斷，功率管的電壓應力（圖7）相對于硬開關(guān)時（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)測試，最高可達92.5％。