組合式雙管正激直流變壓器研究
英飛凌汽車電子生態(tài)圈
1引言
本文引用地址：http://m.butianyuan.cn/article/230884.htm隨著大功率電力電子元器件的發(fā)展，通過電力電子變換技術(shù)實現(xiàn)電壓變換和能量傳遞的新型變壓器——直流變壓器得到了越來越多的關(guān)注。直流變壓器在接近l00％的占空比下工作，輸出省去了濾波電感，結(jié)構(gòu)簡單；采用開環(huán)控制，易于實現(xiàn)軟開關(guān)，提高功率密度。有些學(xué)者將其應(yīng)用在頻率、電壓相同或不同的兩個或多個交流系統(tǒng)之間，實現(xiàn)隔離和能量傳輸[1]-[4]。也有學(xué)者將其應(yīng)用在需要隔離而不需要調(diào)壓的直流應(yīng)用場合[5]-[8]，以提高多級結(jié)構(gòu)的電壓調(diào)整模塊供電系統(tǒng)的效率和功率密度。
本文提出了一種組合式雙管正激直流變壓器。該電路利用箝位二極管將開關(guān)管的電壓應(yīng)力箝位在輸入電壓，并利用變壓器原邊串聯(lián)電感（包括變壓器漏感）和開關(guān)管的結(jié)電容諧振實現(xiàn)了開關(guān)管的零電壓開關(guān)（ZVS）。同時，利用輸出濾波電容的箝位作用，限制了副邊整流二極管的電壓尖峰。文中詳細(xì)分析了變壓器的工作原理，并討論了變壓器的輸出特性、零電壓開通條件。最后在原理樣機(jī)上進(jìn)行實驗驗證。
2電路拓?fù)渑c工作原理
組合式雙管正激直流變壓器主電路拓?fù)淙鐖D1所示，包括輸入電源Uin、功率開關(guān)管（S1、S2、S3、S4）、兩個原邊箝位二極管D1和D2、串聯(lián)電感Lr1和Lr2（包括變壓器漏感）、功率變壓器T（Np1、Np2、Ns1、Ns2組成）、副邊整流電路（D3和D4）和輸出濾波電容（Cout）組成。其電路結(jié)構(gòu)有如下特點：(1)由兩路雙管正激變換器原邊并聯(lián)而成，并且兩路雙管正激變換器在原邊共用兩個箝位二極管D1和D2；(2)變壓器T采用磁集成技術(shù)，由Np1、Np2、Ns1、Ns2組成；(3)輸出不含濾波電感。
圖1新型直流變壓器原理圖
圖2主要波形圖
為了分析其工作狀態(tài)，作如下假設(shè)：
(1)變換器工作已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)；
(2)S1、S2、S3和S4由理想開關(guān)、寄生二極管和電容構(gòu)成，容值C1=C2=C3=C4=Cs；Cd3、Cd4分別為D3、D4的寄生電容，且有Cd3=Cd4=Cd；
(3)Lr1、Lr2為變壓器原邊串聯(lián)電感，包含變壓器兩個原邊的漏感，且有Lr1=Lr2=Lr；
(4)變壓器T滿足：Np1=Np2，Ns1=Ns2，且有匝比Np1/Ns1=n。
該直流變壓器在半個周期內(nèi)有五個工作模態(tài)，主要波形如圖2所示，每個工作模態(tài)對應(yīng)的等效電路如圖3所示。
2.1工作模態(tài)1[t0，t1]
等效電路如圖3(a)所示。在t0時刻以前，S3、S4關(guān)斷，S1、S2開通，副邊整流管D3導(dǎo)通，輸入電源通過變壓器原邊Np1向副邊傳遞能量。t0時刻，開關(guān)S1、S2關(guān)斷，此后，電感Lr1、Lr2與開關(guān)寄生電容一起諧振。當(dāng)S1、S2兩端電壓上升至Uin，S3、S4兩端電壓下降為零時，該模態(tài)結(jié)束。在該模態(tài)中，原邊電感電流為：
上述四式中，
為諧振角頻率，
為諧振特征阻抗。Ip為原邊電流iNp1在t0時刻的值。
2.2工作模態(tài)2[t1,t2]
等效電路如圖3(b)所示。在t1時刻，開關(guān)S3、S4的寄生二極管導(dǎo)通，電感Lr1電流iLr1和電感Lr2電流iLr2在輸入電壓和副邊折算到原邊的電壓共同作用下，分別線性下降和上升。該模態(tài)中，開關(guān)兩端電壓保持不變。在該模態(tài)中
2.3工作模態(tài)3[t2，t3]
等效電路如圖3(b)所示。在t2時刻，開關(guān)S3、S4導(dǎo)通，由于開關(guān)S3、S4的寄生二極管導(dǎo)通，開關(guān)為ZVS開通。電感Lr1電流iLr1和電感Lr2電流iLr2在輸入電壓和副邊折算到原邊的電壓共同作用下，分別線性下降和上升。當(dāng)兩電感電流相等時，開關(guān)S3、S4的寄生二極管截止，相應(yīng)的副邊Ns1電流減小到零，副邊整流二極管D3截止，該模態(tài)結(jié)束。在該模態(tài)中，漏感電流分別為：
2.4工作模態(tài)4[t3，t4]
等效電路如圖3(c)所示。在t3時刻副邊整流二極管D3截止，變壓器副邊電壓開始反向。該過程中電感Lr（原邊電感Lr1、Lr2折算到副邊的電感值）與副邊整流二極管的寄生電容諧振工作，Cd4放電、Cd3充電。當(dāng)副邊電壓為-Uo時，該模態(tài)結(jié)束。在該模態(tài)中
上述三式中，
為諧振角頻率，
為諧振特征阻抗。Is為副邊電流iNs2在t4時刻的值。
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