PUSH-PULL變壓器變比對(duì)升壓電路效率影響的分析

一．目的

鑒于具有不同變比的Push-Pull變壓器將對(duì)Push-Pull升壓電路的工作模式有顯著影響，它能導(dǎo)致輸入電流波形、電流峰值的變化，從而決定BUS電壓的高低。本研究的目的在于從變比出發(fā)，探討在決定BUS電壓的前提下，對(duì)升壓電路效率影響。

二．實(shí)驗(yàn)儀器及設(shè)備

IDRC Digital Power Meter CP-350

Chroma 6230K-55 DC Power Supply

Fluke HYDRA Data Acquisition Unit

SAKO 1KVA UPS SAKO 2KVA UPS

三．變比對(duì)升壓電路產(chǎn)生影響的基本原理

對(duì)于Push-Pull電路而言，與其它具有電感的能量傳遞電路一樣，其電流由加在電感上的電壓、作用時(shí)間以及初始電流所決定。其基本關(guān)系為：

由于變壓器繞組的電阻相對(duì)于電感很小，同時(shí)由于頻率足夠高（50KHz），因此可以將電阻忽略不記。在輸出穩(wěn)定的條件下，認(rèn)為BUS電壓穩(wěn)定不變。在MOSFET導(dǎo)通時(shí)，變壓器原邊繞組上的電壓為電池電壓，原邊初始電流為I_p0，副邊初始電流為I_s0，顯然有

（1-8）

因此，增加原邊匝數(shù)，有助于電路保持在連續(xù)模式，但變壓器的設(shè)計(jì)將會(huì)遇到困難。

通過(guò)以上分析，可以得知，變壓器上的電流工作模式與BUS電壓、變比、電池電壓輸入功率有關(guān)，在不同參數(shù)下，電流將呈出如下三種模式：

1．電流不連續(xù)模式

當(dāng)變壓器的變比較高時(shí)，按Push-Pull電路的電壓變比公式

（1－9）

可知，變壓器導(dǎo)通時(shí)間與變壓器變比成反比。在原邊輸入功率及輸入電壓保持不變的情況下，導(dǎo)通時(shí)間將隨變比的增加而變得越來(lái)越小，原邊峰值電流將越來(lái)越大。在變比不變并同樣保持功率不變的前提下，按式（1－8）可知，隨電池電壓的增長(zhǎng)，導(dǎo)通脈寬將越變?cè)秸彩闺娏鞣逯翟絹?lái)越高。

圖1　不連續(xù)模式下升壓管上的電流波形

2．電流臨界模式

　　隨著變壓器變比的減小，按式（1－7）可得，續(xù)流時(shí)間tc與變比n成反比，按式（1－9）導(dǎo)通時(shí)間也與變比反比例，因此副邊有電流的時(shí)間將越來(lái)越長(zhǎng)。當(dāng)t_on+t_c=0.5T時(shí)，電流達(dá)到臨界模式。這時(shí)的電流波形如圖2所示。

圖2　臨界模式下升壓管上的電流波形

3．電流連續(xù)模式

隨著變比的進(jìn)一步減小，t_c+t_on>0.5T，即表明此時(shí)副邊的電流在半個(gè)脈寬內(nèi)將不能到零，此時(shí)另一個(gè)升壓管導(dǎo)通，則必然在原邊感應(yīng)出一個(gè)初始電流，使電流模式由臨界模式進(jìn)入連續(xù)模式。如圖3所示。在此情況下，升壓管上流通的電流接近于梯形，它的峰值較小。

圖3　連續(xù)模式下升壓管上的電流波形

開(kāi)關(guān)管的損耗分為兩部分：導(dǎo)通損耗與開(kāi)關(guān)損耗。二者的計(jì)算公式相同，都是加在管子DS兩端的電流與電壓乘積的積分：。但是，開(kāi)關(guān)管在導(dǎo)通狀態(tài)下，其導(dǎo)通電阻或?qū)▔航凳且欢ǖ模陔娏飨嗤那闆r下，其導(dǎo)通功耗也是相同的。雖然它也將受到脈寬的影響，但脈沖消失后，它也將擁有一降溫過(guò)程，從一個(gè)導(dǎo)通周期來(lái)說(shuō)，導(dǎo)通損耗還是一定的。但是，開(kāi)關(guān)損耗卻大不一樣，它與開(kāi)通及關(guān)斷期間的電壓、電流還有開(kāi)通、關(guān)斷時(shí)間有關(guān)。對(duì)于Push-Pull升壓電路而言，輸入電壓是不變的，但輸入電流峰值卻在隨變比的增大而增大，它所產(chǎn)生的開(kāi)關(guān)損耗也同步增大；而逆變電路則正好相反，電流基本不變，但電壓卻是兩個(gè)BUS之和，它的損耗與BUS電壓同步增長(zhǎng)。關(guān)于開(kāi)關(guān)損耗的電壓電流波形見(jiàn)圖4所示。

圖4　升壓管DS電壓與電流波形

四．實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　為了驗(yàn)證不同變比對(duì)電流導(dǎo)通模式的影響，我們利用1KVA和2KVA來(lái)進(jìn)行測(cè)試。在1KVA中，做了原邊匝數(shù)分別為3匝和4匝，副邊匝數(shù)變化的變壓器；在2KVA中，做了原邊匝數(shù)分別為4匝和5匝，副邊變化的數(shù)個(gè)變壓器。由于各種機(jī)型的輸入電壓不同，但卻都有相同的BUS電壓設(shè)定值，在此情況下，變比不能正確反映電流的導(dǎo)通模式。具以前分析可知，升壓電路原邊的電流導(dǎo)通模式與所能達(dá)到的BUS電壓相關(guān)，而對(duì)BUS電壓的要求卻是一致的，同時(shí)，由于升壓電路的損耗是很難測(cè)出，可以用溫升表示其損耗。因此，可以利用BUS電壓與升壓管溫升的關(guān)系來(lái)表征變壓器變比參數(shù)對(duì)升壓電路效率的影響。

圖6

圖6所示的升壓管溫升隨BUS電壓的變化曲線是比較穩(wěn)定的，變化范圍不超過(guò)5℃。這是由于變壓器副邊匝數(shù)在34~40之間變化時(shí)，它一直工作在電流連續(xù)模式下，電流峰值均無(wú)太大改變，從而保持升壓管溫升的恒定。當(dāng)將副邊的續(xù)流電感去掉后，升壓管的溫升立即上升達(dá)10℃左右。

圖7

　　圖7所示的曲線與圖6相比在高壓段有所差別，當(dāng)BUS電壓從380.9變化到380.2時(shí)，升壓管溫升可相差13℃。這時(shí)的電流波形已經(jīng)從圖3的電流不連續(xù)模式轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏髋R界模式，電流峰值產(chǎn)生了較大的差異，從而導(dǎo)致溫升的大幅變化。

　　2KVA所用的升壓電路中，在變壓器在副邊有一300uH之電感，可起到續(xù)流作用，以使原邊電流為連續(xù)模式。所以，在圖6、7中，變比雖大，但電流模式的變化卻小，總的來(lái)說(shuō)是穩(wěn)定的。

圖8

圖8是用在1KVA上的升壓變壓器對(duì)效率的影響。圖中BUS較低（低于380V）時(shí)，升壓管的溫升還是基本恒定的，變化范圍在5℃以內(nèi)，但在電壓大于380V的情況下，溫升變化非常劇烈，達(dá)到BUS電壓變化1V，溫升變化達(dá)到22℃。這是由于此時(shí)的變比很大（3：40），電流極度不連續(xù)，峰值極大，導(dǎo)致溫升極高。這種情況，在更大變比下更加明顯，對(duì)于3：60的變壓器，在帶載10秒后溫升即超過(guò)100℃。

圖9

與圖6一樣，圖9中溫升基本保持恒定，波動(dòng)不超過(guò)4℃。

由于1KVA中的升壓電路不含續(xù)流電感，當(dāng)BUS電壓超過(guò)380V，電流易于轉(zhuǎn)變?yōu)椴贿B續(xù)模式，從而導(dǎo)致高壓下溫升的變化比2KVA明顯。

五．結(jié)論

從理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，對(duì)Push-Pull升壓電路效率的影響不在于BUS電壓本身的大小，而在于變壓器本身在工作時(shí)的電流模式：連續(xù)模式下的變壓器在升壓管上造成的損耗更小。除了變比的選擇外，還可在副邊串上具有續(xù)流作用的元件，以在較高BUS情況下使電流連續(xù)。