雙正激變換器軟開(kāi)關(guān)拓?fù)涞姆治雠c評(píng)價(jià)(完整版)實(shí)用資料

雙正激變換器軟開(kāi)關(guān)拓?fù)涞姆治雠c評(píng)價(jià)（完整版）實(shí)用資料(可以直接使用，可編輯完整版實(shí)用資料，歡迎下載）

雙正激變換器軟開(kāi)關(guān)拓?fù)涞姆治雠c評(píng)價(jià)雙正激變換器軟開(kāi)關(guān)拓?fù)涞姆治雠c評(píng)價(jià)（完整版）實(shí)用資料(可以直接使用，可編輯完整版實(shí)用資料，歡迎下載）技術(shù)分類(lèi)：電源技術(shù)

|2009-07-131.引言雙正激變換器克服了正激變換器中開(kāi)關(guān)電壓應(yīng)力高的缺點(diǎn)，每個(gè)開(kāi)關(guān)管只需承受輸入直流電壓，不需要采用特殊的磁復(fù)位電路就可以保證變壓器的可靠磁復(fù)位。它的每一個(gè)橋臂都是由一個(gè)二極管與一個(gè)開(kāi)關(guān)管串聯(lián)組成，不存在橋臂直通的危險(xiǎn)，可靠性高。因此雙正激變換器具有其它變換器無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，成為目前中大功率變換器中應(yīng)用最多的拓?fù)渲弧ｋp正激組合變換器通過(guò)對(duì)雙正激變換器進(jìn)行并、串組合，可以克服其占空比只能小于0.5的缺點(diǎn)，提高變壓器的利用率和變換器的等效占空比，適合應(yīng)用于高輸入和輸出電壓的大功率場(chǎng)合[1,2]?，F(xiàn)代電源的發(fā)展方向是高頻化、小型化、模塊化、智能化，實(shí)現(xiàn)變換器的高功率密度、高效率和高可靠性。提高開(kāi)關(guān)頻率，減小磁性元件的體積和重量是提高變換器功率密度的有效措施。但是在硬開(kāi)關(guān)狀態(tài)下工作的變換器，隨著開(kāi)關(guān)頻率的上升，一方面開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)損耗會(huì)成正比地增大，無(wú)源元件的損耗大幅度增加,效率大大降低；另一方面，過(guò)高的dv/dt和di/dt會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的電磁干擾(EMI),影響變換器的可靠性。為了改善高頻變換器開(kāi)關(guān)的工作條件,減小開(kāi)關(guān)損耗和電磁干擾,各種軟開(kāi)關(guān)技術(shù)應(yīng)用而生，包括無(wú)源軟開(kāi)關(guān)技術(shù)與ZVS/ZCS諧振、準(zhǔn)諧振、ZVS/ZCS-PWM、ZVT/ZCT-PWM等有源軟開(kāi)關(guān)技術(shù)。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外廣大學(xué)者對(duì)雙正激及其組合變換器的軟開(kāi)關(guān)技術(shù)進(jìn)行了大量的研究。軟開(kāi)關(guān)拓?fù)浯篌w上可分為三類(lèi)，即應(yīng)用無(wú)源輔助電路的無(wú)源軟開(kāi)關(guān)拓?fù)洌粦?yīng)用有源輔助電路的有源軟開(kāi)關(guān)拓?fù)?；不需輔助電路的軟開(kāi)關(guān)拓?fù)?。本文系統(tǒng)地分析了這三類(lèi)軟開(kāi)關(guān)拓?fù)?，指出各種拓?fù)涞奶攸c(diǎn)和適用場(chǎng)合，給出簡(jiǎn)單的分析和評(píng)價(jià)，并選擇了一種新型的ZVS雙正激組合變換器，作為高壓直流輸入航空靜止變流器DC/DC級(jí)拓?fù)?，成功研制了一臺(tái)4KW的雙正激組合變換器，滿載時(shí)效率高達(dá)95.51%。2.應(yīng)用無(wú)源輔助電路的無(wú)源軟開(kāi)關(guān)拓?fù)?.1原邊箝位型ZVZCS雙正激變換器文獻(xiàn)[3]提出了一種原邊箝位型ZVZCS雙正激變換器如圖1所示。原邊箝位電路由輔助電感Lr和兩個(gè)箝位二極管D3、D4組成。圖1原邊箝位型ZVZCS雙正激變換器S1和S2開(kāi)通時(shí)Lr的電流從零開(kāi)始線性上升，從而減小了D6關(guān)斷時(shí)的di/dt和電壓尖峰，S1和S2為零電流開(kāi)通。S1和S2關(guān)斷時(shí)負(fù)載電流對(duì)開(kāi)關(guān)管的結(jié)電容充電，S1和S2為零電壓關(guān)斷。該拓?fù)涞膬?yōu)點(diǎn)是：通過(guò)簡(jiǎn)單的無(wú)源箝位電路減小了副邊續(xù)流二極管反向恢復(fù)引起的電壓尖峰，降低了電磁干擾，實(shí)現(xiàn)了開(kāi)關(guān)管的零電流開(kāi)通和零電壓關(guān)斷，適合應(yīng)用于高壓輸出的大功率場(chǎng)合。缺點(diǎn)是變換器的開(kāi)關(guān)管為容性開(kāi)通。2.2一種雙正激電路的軟關(guān)斷拓?fù)湮墨I(xiàn)[4]提出了一種雙正激電路的軟關(guān)斷拓?fù)淙鐖D2所示。通過(guò)比開(kāi)關(guān)結(jié)電容大得多的諧振電容C1、C2限制開(kāi)關(guān)電壓的上升速度，從而實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管的ZVS關(guān)斷。由Lr、C1、C2D3、D4和D5構(gòu)成的箝位電路是無(wú)損的，并能將變壓器漏感所存儲(chǔ)的能量全部返回到輸入電源中。但是開(kāi)關(guān)管開(kāi)通時(shí)，諧振電流從開(kāi)關(guān)管流過(guò)，增加了開(kāi)關(guān)管的電流應(yīng)力，而且開(kāi)關(guān)管為硬開(kāi)通，對(duì)大功率雙正激電路效率的提高有較大的實(shí)用價(jià)值。圖2一種雙正激電路的軟關(guān)斷拓?fù)?.3無(wú)源ZVT雙正激變換器圖3示出了一種無(wú)源ZVT雙正激變換器[5]，它通過(guò)在變壓器原邊增加輔助電路，實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管的零電壓關(guān)斷。其工作原理為：當(dāng)兩個(gè)開(kāi)關(guān)管開(kāi)通時(shí)，諧振電容Cr和諧振電感Lr通過(guò)開(kāi)關(guān)S2及二極管D3諧振，將Cr上的電壓改變極性，在開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)，由于Cr比開(kāi)關(guān)管的結(jié)電容大得多，因此限制了開(kāi)關(guān)管電壓的上升速度，從而實(shí)現(xiàn)零電壓關(guān)斷。這種變換器的優(yōu)點(diǎn)是不需要增加有源開(kāi)關(guān)器件，因此電路簡(jiǎn)單。但是由于在開(kāi)關(guān)開(kāi)通時(shí)，諧振電流要從下管S2流通，因此增加了下管的電流應(yīng)力，而且開(kāi)關(guān)管為硬開(kāi)通,開(kāi)通損耗較大。圖3無(wú)源ZVT雙正激變換器2.4無(wú)損緩沖ZVZCS雙正激變換器文獻(xiàn)[6]提出了一種無(wú)損緩沖ZVZCS雙正激電路如圖4所示。通過(guò)輔助電感Lr實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管的零電流開(kāi)通，由諧振電容Cr實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管的零電壓關(guān)斷。該變換器在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)都可以實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)，通態(tài)損耗較小，而且緩沖電路是無(wú)損的。圖4無(wú)損緩沖ZVZCS雙正激電路2.5帶能量吸收電路的軟開(kāi)關(guān)雙正激變換器文獻(xiàn)[7]提出了一種開(kāi)關(guān)管和副邊整流二極管帶能量吸收緩沖電路的雙正激電路如圖5所示。無(wú)損吸收緩沖網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了原邊開(kāi)關(guān)管的零電流開(kāi)通、零電壓關(guān)斷和副邊整流二極管的零電流開(kāi)通，并且副邊整流二極管不存在電壓尖峰和反向恢復(fù)損耗。該電路結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，需要附加2套緩沖電路。圖5帶能量吸收緩沖電路的軟開(kāi)關(guān)雙正激變換器2.6橋臂互感型軟開(kāi)關(guān)雙正激組合變換器文獻(xiàn)[8]提出了一種橋臂互感型軟開(kāi)關(guān)雙正激組合變換器如圖6所示，將兩個(gè)雙正激變換器的串聯(lián)組合，副邊采用倍流整流電路，適用于高輸入電壓、低壓大電流輸出的場(chǎng)合。開(kāi)關(guān)管承受的電壓僅為輸入直流電壓的一半。利用耦合電感中儲(chǔ)存的能量實(shí)現(xiàn)開(kāi)的零電壓開(kāi)關(guān)，同時(shí)采用移相控制技術(shù)調(diào)節(jié)輸出電壓和實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)。由于采用了帶兩個(gè)原邊繞組的變壓器，所以能夠使變壓器磁芯工作在雙象限和實(shí)現(xiàn)輸入電容電壓的自動(dòng)均壓。該電路的缺點(diǎn)是每個(gè)橋臂上的輔助電路增加了開(kāi)關(guān)管的電流應(yīng)力，電路的導(dǎo)通損耗比較大，輔助電路較復(fù)雜。圖6橋臂互感型軟開(kāi)關(guān)雙正激組合變換器2.7改進(jìn)的橋臂互感型軟開(kāi)關(guān)雙正激組合變換器文獻(xiàn)[9]提出了一種改進(jìn)的橋臂互感型軟開(kāi)關(guān)雙正激組合變換器如圖7所示，不僅具有圖6電路所具有的優(yōu)點(diǎn)，而且不需要采用圖6電路所示的輔助電路。通過(guò)PWM控制開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷，利用偶合的諧振電感Lr1和Lr2實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管的零電壓開(kāi)通，但是軟開(kāi)關(guān)范圍受一定的限制。由于輸入電容的自動(dòng)均壓方式是通過(guò)原邊電流流經(jīng)開(kāi)關(guān)管和變壓器在兩個(gè)電容之間相互傳遞能量實(shí)現(xiàn)的，因而會(huì)增加開(kāi)關(guān)管的電流應(yīng)力和導(dǎo)通損耗。而且副邊整流二極管的電壓應(yīng)力較大，不適合應(yīng)用在高輸出電壓場(chǎng)合。該變換器適用于高輸入電壓、低壓大電流輸出的大功率場(chǎng)合。圖7改進(jìn)的橋臂互感型軟開(kāi)關(guān)雙正激組合變換器3.應(yīng)用有源輔助電路的有源軟開(kāi)關(guān)拓?fù)?.1有源箝位軟開(kāi)關(guān)雙正激變換器文獻(xiàn)[10]提出了一種有源箝位軟開(kāi)關(guān)雙正激變換器如圖8所示。通過(guò)在變壓器的原邊并聯(lián)一個(gè)由Sa、Ca、Da構(gòu)成的有源箝位網(wǎng)絡(luò)，不僅可以箝位開(kāi)關(guān)管的電壓，還可以實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管和輔管的零電壓開(kāi)通。同時(shí)變壓器勵(lì)磁電流雙向流動(dòng)，提高了變壓器磁芯的利用率。電路工作于準(zhǔn)方波模式，可以進(jìn)行恒頻PWM控制，電磁兼容性好。圖8有源箝位軟開(kāi)關(guān)雙正激變換器3.2一種新型的有源箝位雙正激變換器為了減小變換器原邊開(kāi)關(guān)管和副邊二極管的開(kāi)關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗，文獻(xiàn)[11]提出了一種新型的有源箝位雙正激變換器如圖9所示，利用2個(gè)開(kāi)關(guān)管Sa1、Sa2代替?zhèn)鹘y(tǒng)雙正激電路原邊的2個(gè)箝位二極管，同時(shí)加入一個(gè)箝位電容，實(shí)現(xiàn)主開(kāi)關(guān)管和輔管的ZVS開(kāi)通。該拓?fù)潆娐方Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，而且輔管Sa1、Sa2可以選用電壓定額較低的開(kāi)關(guān)管。該變換器適用于寬輸入電壓范圍的中、低壓場(chǎng)合，但是輔管的引入增加了電路控制的復(fù)雜性。圖9一種新型的有源箝位雙正激變換器3.3一種有源軟開(kāi)關(guān)雙正激變換器文獻(xiàn)[12]提出了一種有源軟開(kāi)關(guān)雙正激變換器如圖10所示。輔助諧振網(wǎng)絡(luò)的輔管可以零電流開(kāi)通，ZVS關(guān)斷，同時(shí)實(shí)現(xiàn)主開(kāi)關(guān)管S1的零電壓零電流開(kāi)通、零電壓關(guān)斷和S2的零電流開(kāi)通。該拓?fù)涞娜秉c(diǎn)輔助電路結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，開(kāi)關(guān)管S2是硬關(guān)斷，而且存在容性開(kāi)通損耗。圖10一種有源軟開(kāi)關(guān)雙正激變換器3.4串聯(lián)組合式ZVS雙正激變換器圖11所示電路[13]是由兩個(gè)ZVS雙正激變換器串聯(lián)組成。它可以實(shí)現(xiàn)主開(kāi)關(guān)管的零電壓開(kāi)通和輔管的零電流開(kāi)通、零電壓零電流關(guān)斷。在主開(kāi)關(guān)管開(kāi)通前超前導(dǎo)通輔管Sa1(或Sa2),通過(guò)Lr1（或Lr2）和Cr1（或Cr2）諧振，使諧振電容上的電壓達(dá)到Vin/2,然后開(kāi)通主開(kāi)關(guān)管。由于該電路采用了帶兩個(gè)原邊的變壓器，所以它能實(shí)現(xiàn)磁芯的雙象限工作和輸入電容的自動(dòng)均壓，適合應(yīng)用在高電壓輸入的大功率場(chǎng)合。但是副邊整流二極管的電壓為兩倍的副邊電壓，因而限制了變換器在高輸出電壓領(lǐng)域的應(yīng)用。3.5有源ZVT雙正激變換器文獻(xiàn)[14]提出了一種有源ZVT雙正激變換器如圖12所示。其基本原理與圖4所示的無(wú)源ZVT電路一樣，也是通過(guò)比開(kāi)關(guān)結(jié)電容大得多的諧振電容Cr限制開(kāi)關(guān)電壓上升速度，從而實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)ZVS關(guān)斷。與圖4不同的是，諧振回路與主回路完全分開(kāi)，在諧振網(wǎng)絡(luò)中增加了諧振開(kāi)關(guān)Sa，諧振電流不從下管中流過(guò)，因此不增加變換器主開(kāi)關(guān)管的電流應(yīng)力。而且通過(guò)在S1、S2開(kāi)通之前很短的時(shí)間內(nèi)超前開(kāi)通諧振開(kāi)關(guān)Sa，能夠?qū)崿F(xiàn)S1、S2的零電壓開(kāi)通。該帶電路的缺點(diǎn)是Sa零電流開(kāi)關(guān)，但為容性開(kāi)通，而且這種變換器增加了電路的復(fù)雜性。圖12有源ZVT雙正激變換器3.6ZVT交錯(cuò)并聯(lián)雙正激組合變換器文獻(xiàn)[15]提出了一種ZVT交錯(cuò)并聯(lián)雙正激組合變換器，如圖13所示，采用一套輔助電路實(shí)現(xiàn)整個(gè)組合變換器的主開(kāi)關(guān)管的ZVS。輔助電路由兩個(gè)開(kāi)關(guān)管Sa1、Sa2、D5、D6有和諧振電容Cr組成，將變壓器漏感和勵(lì)磁電感作為諧振電感，減少了外加諧振電感帶來(lái)的損耗。但是輔管是零電流開(kāi)關(guān)，存在容性開(kāi)通損耗。圖13ZVT交錯(cuò)并聯(lián)雙正激組合變換器3.7ZCT雙正激變換器文獻(xiàn)[16]提出了ZCT雙正激變換器，如圖14所示，在每個(gè)開(kāi)關(guān)管旁并聯(lián)一個(gè)諧振回路，在主開(kāi)關(guān)管關(guān)斷之前開(kāi)通諧振開(kāi)關(guān)，通過(guò)諧振回路的諧振，將主開(kāi)關(guān)管的電流轉(zhuǎn)移到諧振回路中，從而實(shí)現(xiàn)主開(kāi)關(guān)管的零電流關(guān)斷，諧振開(kāi)關(guān)在諧振電流過(guò)零時(shí)自然關(guān)斷。ZCT雙正激變換器特別適合于以IGBT作主開(kāi)關(guān)管的應(yīng)用場(chǎng)合，可以避免IGBT關(guān)斷時(shí)由拖尾電流引起的關(guān)斷損耗。但是主開(kāi)關(guān)管是硬開(kāi)通，而且需要兩個(gè)輔助開(kāi)關(guān)和兩套輔助電路，因此電路結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。圖14ZCT雙正激變換器3.8廣義軟開(kāi)關(guān)-PWM雙正激變換器廣義軟開(kāi)關(guān)，就是用有源或無(wú)源的無(wú)損吸收電路，使開(kāi)關(guān)過(guò)程軟化，實(shí)現(xiàn)近似零電壓開(kāi)通或近似零電流關(guān)斷，減少開(kāi)關(guān)損耗，同時(shí)降低整流二極管的反向恢復(fù)損耗。它可以達(dá)到與傳統(tǒng)ZVT或ZCT軟開(kāi)關(guān)幾乎相同的指標(biāo)，但比傳統(tǒng)軟開(kāi)關(guān)具有電路簡(jiǎn)單，成本低廉，可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。圖15所示是一種廣義軟開(kāi)關(guān)-PWM雙正激變換器[17,18]，原理簡(jiǎn)述如下：主開(kāi)關(guān)管S1、S2以及輔管Sa同時(shí)開(kāi)通，回路中Lr限制了主開(kāi)關(guān)管的電流上升率，減小了開(kāi)通損耗。S1先關(guān)斷，變壓器電流對(duì)C1充電，C1上的電壓不能突變，因此S1電壓上升電壓斜率受到限制，關(guān)斷損耗減小。令Sa先于S2關(guān)斷，當(dāng)S2關(guān)斷時(shí)，器電流對(duì)C2充電，和S1關(guān)斷情況相同，減小了S2的關(guān)斷損耗。該電路的特點(diǎn)是：變壓器和吸收電感的儲(chǔ)能可回饋給電源，輔管Sa可實(shí)現(xiàn)ZVS，S1、S2雖然不是零電壓開(kāi)通，也不是零電流關(guān)斷，但是有源無(wú)損吸收電路有效地軟化了開(kāi)關(guān)過(guò)程。但是吸收電路需增加輔助開(kāi)關(guān)管，控制較復(fù)雜。圖15廣義軟開(kāi)關(guān)-PWM雙正激變換器4.不需輔助電路的軟開(kāi)關(guān)拓?fù)?.1雙橋式ZVS雙正激組合變換器圖16提出了一種雙橋式ZVS雙正激組合變換器[19]，兩個(gè)雙正激變換器在原邊串聯(lián)，共用一個(gè)高頻變壓器，通過(guò)移相控制，并利用變壓器漏感和勵(lì)磁電感實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管的零電壓開(kāi)通。變壓器磁芯的雙象限磁化實(shí)現(xiàn)了輸入電容的自動(dòng)均壓。該電路適用于高輸入、輸出電壓，大電流輸出的場(chǎng)合，但是通態(tài)損耗較大。圖16雙橋式ZVS雙正激變換器4.2ZVZCSPWM交錯(cuò)并聯(lián)的雙正激組合變換器文獻(xiàn)[20]提出了一種ZVZCSPWM并聯(lián)的雙正激組合變換器如圖17所示，副邊采用耦合的濾波電感以減小空載電流和環(huán)流電流，Ls1、Ls2是變壓器的副邊漏感。通過(guò)PWM控制，不需輔助電路就實(shí)現(xiàn)了S1、S2的ZVS和S3、S4的ZCS，減小了原邊和副邊的空載和環(huán)流電流，降低了通態(tài)損耗。它適合用于高壓輸入、IGBT做開(kāi)關(guān)管的場(chǎng)合。圖17ZVZCSPWM交錯(cuò)并聯(lián)的雙正激組合變換器4.3新型的ZVZCS雙正激組合變換器文獻(xiàn)[21]提出了一種新型的ZVZCSPWM交錯(cuò)并聯(lián)的雙正激組合變換器如圖18所示。兩個(gè)相同的雙正激變換器在原邊串聯(lián)，采用一個(gè)帶兩個(gè)原邊繞組和兩個(gè)副邊繞組的高頻變壓器，采用PWM技術(shù)減少空載和環(huán)流電流，降低了導(dǎo)通損耗。在較寬的負(fù)載范圍內(nèi)不需采用任何有源或無(wú)源輔助電路，由變壓器漏感電流實(shí)現(xiàn)了S1、S3的零電壓零電流開(kāi)通、零電壓關(guān)斷，利用漏感電流和環(huán)流電流實(shí)現(xiàn)S2、S4的零電流開(kāi)通、零電壓關(guān)斷。4個(gè)開(kāi)關(guān)管類(lèi)似全橋變換器工作，磁芯元件和濾波器體積都很小。該變換器的優(yōu)點(diǎn)是變壓器原邊側(cè)沒(méi)有環(huán)流存在，但是需要兩個(gè)相同的原邊繞組，銅損較大。此外S2、S4為零電流開(kāi)通，用MOSFET作開(kāi)關(guān)管時(shí)存在容性開(kāi)通損耗。適用于高輸入電壓的大功率場(chǎng)合。圖18新型的ZVZCS雙正激組合變換器4.4ZVS三電平雙正激組合變換器文獻(xiàn)[22]提出了一種新型的ZVS三電平雙正激組合變換器，如圖19所示。它由兩個(gè)雙正激電路串聯(lián)構(gòu)成，經(jīng)過(guò)一個(gè)有兩個(gè)原邊繞組的高頻變壓器實(shí)行隔離輸出。利用集成在高頻變壓器中的副邊漏感，通過(guò)PWM控制實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管的ZVS。該變換器的開(kāi)關(guān)管所承受的電壓應(yīng)力為輸入直流電壓的一半，因此適用于高電壓輸入場(chǎng)合。文獻(xiàn)最后給出了采用全波整流和倍流整流的ZVS三電平雙正激組合變換器拓?fù)?。圖19ZVS三電平雙正激組合變換器4.5新型的ZVS雙正激組合變換器文獻(xiàn)[23]提出了一種新型的ZVS雙正激組合變換器，如圖20所示。主電路原邊部分由交錯(cuò)并聯(lián)的雙正激組合變換器簡(jiǎn)化而來(lái)，原邊只用兩個(gè)續(xù)流二極管，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。而且采用變壓器的磁集成技術(shù)，高頻變壓器磁芯雙向磁化，提高了磁芯的利用率，進(jìn)一步減小了體積，提高了變換器的功率密度。此外，該變換器還具有如下一些特點(diǎn)：(1)變換器采用開(kāi)環(huán)控制，在接近100%的等效占空比下工作，變換效率高；(2)可以通過(guò)變壓器漏感（或串聯(lián)電感）能量實(shí)現(xiàn)主開(kāi)關(guān)管的零電壓開(kāi)通，同時(shí)降低了副邊整流二極管的反向恢復(fù)損耗，大大提高了效率；(3)輸出濾波電路不含濾波電感，這樣由于輸出濾波電容的箝位作用，大大減小了副邊整流二極管的電壓尖峰。該變換器起著隔離和變壓的作用，輸出電壓隨輸入電壓和負(fù)載變化，所以適合應(yīng)用于輸入電壓變化范圍較小的兩級(jí)或多級(jí)系統(tǒng)中。圖20新型的ZVS雙正激組合變換器本文選用這種新型的ZVS雙正激組合變換器，作為高壓直流輸入航空靜止變流器DC/DC級(jí)拓?fù)?，采用?串組合方式成功研制了一臺(tái)4KW的DC/DC變換器（實(shí)驗(yàn)電路如圖21）。圖21變換器實(shí)驗(yàn)電路圖實(shí)驗(yàn)主要數(shù)據(jù)為：輸入直流電壓：Vin=270V；輸出直流電壓：Vo=360V；D=0.483；變壓器磁芯：雙EE55B。變壓器原副邊變比：K=13：11；變壓器原邊漏感（包括串聯(lián)電感）：Ls1=Ls2=Ls3=Ls4=26uH；開(kāi)關(guān)管(S1~S8)：IXTK48N50(Rds(on)=0.10,Cds="620pF")；原邊續(xù)流二極管(D1~D4)：DSEI60-06A；副邊整流二極管(D5~D8)：DSEI60-10A。輸出濾波電容：Cf1=Cf2=470uF；開(kāi)關(guān)頻率：fs=100kHz。圖22ZVS開(kāi)關(guān)波形(2us/div)（CH1：S1漏源電壓100V/div；CH2：S1驅(qū)動(dòng)電壓20V/div）圖23滿載時(shí)驅(qū)動(dòng)電壓、副邊電壓、電流波形(2us/div)（CH1：S1驅(qū)動(dòng)電壓20V/div；CH2：變壓器副邊電壓250V/div；CH3：變壓器副邊電流10A/div）圖22是開(kāi)關(guān)管S1的驅(qū)動(dòng)電壓和漏源電壓的波形，從圖中可以看出S1實(shí)現(xiàn)了ZVS。圖23給出了滿載時(shí)副邊電壓和電流的波形。由于輸出濾波電容的箝位，副邊幾乎沒(méi)有電壓尖峰。圖24給出了變換器效率和輸出功率的關(guān)系曲線，滿載時(shí)效率高達(dá)95.51%。圖23滿載時(shí)副邊電壓和電流的波形圖24效率與輸出功率的關(guān)系曲線5.結(jié)論本文對(duì)應(yīng)用無(wú)源輔助電路、有源輔助電路和不需附加輔助電路的三類(lèi)雙正激軟開(kāi)關(guān)拓?fù)溥M(jìn)行了系統(tǒng)的分析和評(píng)價(jià)，并選擇一種新型的雙正激軟開(kāi)關(guān)拓?fù)渥鳛楦邏褐绷鬏斎牒娇侦o止變流器的DC/DC級(jí)拓?fù)?，成功研制了一臺(tái)4KW的樣機(jī)，最后給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。本文的分析將有助于在不同的應(yīng)用場(chǎng)合選擇最合適的雙正激變換器的軟開(kāi)關(guān)拓?fù)?。全?fù)載范圍內(nèi)高效軟開(kāi)關(guān)反激變換器的多模式IC控制器設(shè)計(jì)陳海，趙夢(mèng)戀，吳曉波，嚴(yán)曉瑯摘要：本文介紹了軟開(kāi)關(guān)反激變換器的多模式控制方案，以實(shí)現(xiàn)在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)的高效率和良好的負(fù)載調(diào)節(jié)能力。在重載的情況下，開(kāi)關(guān)谷底臨界導(dǎo)通模式（CCMVS）采用軟開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)，以減少開(kāi)啟電源的開(kāi)關(guān)損耗和電磁干擾（EMI）。在輕載時(shí)，變換器運(yùn)行在谷底導(dǎo)通和自適應(yīng)關(guān)斷時(shí)間控制（AOT）的不連續(xù)導(dǎo)通模式（DCM）下來(lái)限制開(kāi)關(guān)頻率范圍和維持負(fù)載調(diào)節(jié)能力。在極輕載或待機(jī)狀態(tài)下，采用突發(fā)模式操作，通過(guò)降低開(kāi)關(guān)頻率和控制器的靜態(tài)損耗實(shí)現(xiàn)低功耗的運(yùn)行模式。多模式控制器是由一個(gè)振蕩器實(shí)現(xiàn)的，振蕩器的脈沖持續(xù)時(shí)間是由輸出反饋來(lái)調(diào)節(jié)的。一個(gè)準(zhǔn)確的谷開(kāi)關(guān)電路保證了電源轉(zhuǎn)換時(shí)候的最低導(dǎo)通壓降。電路IC控制器的原型被封裝在一個(gè)1.5μm采用BiCMOS工藝電路板中，并應(yīng)用于310V/20V，90W反激DC/DC變換器電路中。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所有實(shí)驗(yàn)功能都成功的達(dá)到了預(yù)期的效果。反激變換器實(shí)現(xiàn)了從滿載下降到2.5W，將效率提高到大約80%，最高達(dá)到88.8％，而在待機(jī)模式下的總功耗約為300mV。關(guān)鍵詞：集成電路，多模式控制器，軟開(kāi)關(guān)反激變換器，波谷檢測(cè)1引言眾所周知，在打開(kāi)或關(guān)閉變換器的瞬間，由于同時(shí)存在漏源電壓和漏電流會(huì)產(chǎn)生損耗。而大的啟動(dòng)電流會(huì)減少兩者同時(shí)存在的時(shí)間。但是，它并不能減小漏源電壓，漏電流的值。因此，這對(duì)減少功率損耗的幫助是有限的。因此，接下來(lái)介紹軟開(kāi)關(guān)技術(shù)。由于配置簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)，反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在功率低于200W的隔離電源中應(yīng)用非常廣泛。此外，由于電源開(kāi)關(guān)漏極已經(jīng)自帶電容，所以實(shí)現(xiàn)這樣一個(gè)軟開(kāi)關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)無(wú)需其他元件。由于反激變換器工作在不連續(xù)導(dǎo)通模式（DCM）或臨界模式下，即在連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）和不連續(xù)導(dǎo)通模式（DCM）的過(guò)渡點(diǎn)，LC共振會(huì)發(fā)生，降低了變換器的啟動(dòng)電壓，因此使開(kāi)啟過(guò)程中的損耗和電磁干擾最小化。本文中，在大負(fù)載的情況下，工作在臨界導(dǎo)通模式（CCMVS）的谷轉(zhuǎn)換變換器可以實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)和負(fù)載調(diào)節(jié)。然而，作為變頻控制，CCMVS變調(diào)節(jié)的能力。所以，在本文中提出有多模式控制實(shí)現(xiàn)全部負(fù)載等級(jí)的高效率和良好的負(fù)載調(diào)節(jié)能力。在重載時(shí)，CCMVS保持，而在輕載時(shí)，使用帶谷轉(zhuǎn)換和自適應(yīng)關(guān)斷時(shí)間控制（AOT）的DCM可以降低開(kāi)關(guān)頻率和維持在合適的運(yùn)行狀態(tài)。并在極輕負(fù)載或待機(jī)狀態(tài)下，包括脈沖頻率調(diào)制（PFM），抖動(dòng)跳過(guò)調(diào)制(PFM)和柵極電荷調(diào)制（GCM）這幾個(gè)方法來(lái)提高效率。然而，所有這些措施未能降低控制器的靜態(tài)功耗。而采用突發(fā)模式即能夠減少電源開(kāi)關(guān)過(guò)渡損耗也能減少控制器的靜態(tài)功耗。變換器由于受到高頻的限制在輕載時(shí)效率會(huì)下降。此外，由于限制了最短開(kāi)啟時(shí)間也可能會(huì)降低負(fù)載調(diào)節(jié)能力。為了實(shí)現(xiàn)提出的多種模式的控制，提出了集成電路（IC）控制器的設(shè)計(jì)方案。在控制器中，電壓控制振蕩器（VCO）用于實(shí)現(xiàn)不同模式之間的過(guò)渡的方法應(yīng)運(yùn)而生。同時(shí)，為確保軟開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)至輕負(fù)載，準(zhǔn)確谷開(kāi)關(guān)控制電路也是非常必要的。原型控制器IC是安裝在一個(gè)1.5um的BiCMOS工藝的1.63mm的范圍內(nèi)?？刂破餍酒瑧?yīng)用在一個(gè)310V/90V，輸出90W的反激式DC/DC變換器。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，從滿載下降到2.5W效率可以達(dá)到80%以上的高效率同時(shí)具有良好的負(fù)載調(diào)節(jié)能力。2提出多模式，軟開(kāi)關(guān)操作圖1給出了多種模式軟開(kāi)關(guān)的反激變換器的原理圖，圖2是不同模式下的關(guān)鍵波形，緊接著介紹了各種模式的工作原理。2.1在重負(fù)載時(shí)的CCMVS當(dāng)開(kāi)關(guān)周期開(kāi)始，在t=to時(shí)，開(kāi)關(guān)SW打開(kāi)。在區(qū)間[to，t1]，流過(guò)開(kāi)關(guān)的電流Isw線性增加。在t=t1的，Isw達(dá)到峰值Ipk，SW復(fù)位關(guān)閉，這是由誤差放大器的輸出信號(hào)RS鎖存器控制柵極驅(qū)動(dòng)器輸出的信號(hào)EA決定的。在此之后，變壓器勵(lì)磁電流從原級(jí)繞組換向到次級(jí)繞組，在[t1，t2]這個(gè)區(qū)間電流線性減小。在次級(jí)電流在t=t2變?yōu)榱銜r(shí)，變壓器的勵(lì)磁電感和電源開(kāi)關(guān)的附加電容以及二次側(cè)的整流電容開(kāi)始共振。電源開(kāi)關(guān)兩端的電壓V是由輔助繞組N感應(yīng)出來(lái)的。輔助繞組上的電壓是由波谷檢測(cè)器得到的。在圖2a中顯示了輔助繞組電壓的振蕩過(guò)程。但輔助繞組的電壓在t=t3時(shí)為谷底，輸出谷開(kāi)關(guān)控制信號(hào)V開(kāi)始升高。同時(shí)，負(fù)載的情況同樣影響RS的臨界方式的設(shè)置。VCO的輸出脈沖P的持續(xù)時(shí)間在Is為零之前已經(jīng)結(jié)束。因此，在t=t3，信號(hào)V通過(guò)DFF的觸發(fā)器延遲來(lái)設(shè)置RS的臨界開(kāi)啟情況。結(jié)果為，變換器兩端的電壓V-N（V+V）可以減少電源開(kāi)啟的損耗。開(kāi)關(guān)CW的峰值Ipk為(1)或(2)負(fù)載電流等于二次側(cè)電流平均值(3)在臨界導(dǎo)通模式下，忽略[T2，T3]時(shí)間段，開(kāi)關(guān)周期為(4)綜合（1）?（4），推導(dǎo)出輸出電流(5)其中是電壓轉(zhuǎn)換比，是開(kāi)關(guān)頻率。(6)式（6）表明，是與POCCMVS成反比。為了避免在輕載時(shí)過(guò)大使效率降低，有必要將設(shè)定一個(gè)固定值。本設(shè)計(jì)中為120kHZ。設(shè)定后變換器在DCM模式下以固定的頻率工作。負(fù)載調(diào)整是對(duì)開(kāi)啟時(shí)間的調(diào)整，直到最短開(kāi)啟時(shí)間為止。然后變換器進(jìn)入了DCM下的谷轉(zhuǎn)換和AOT運(yùn)行模式。2.2輕載時(shí)DCM下的谷開(kāi)關(guān)和AOT在圖2b中可以看出，DCM的模式的波形與CCMVS模式的波形直到t=t3都是一致的。在輕負(fù)載的時(shí)候，在Tp周期結(jié)束之前Is已經(jīng)減小到零了，這是和輸出功率成反比的結(jié)果。谷開(kāi)關(guān)仍然可以使用，這是由于變換器的開(kāi)啟電壓由于CCMVS模式的共振延遲高于CCMVS模式的電壓。如前所述，為了解決在輕載時(shí)的負(fù)荷調(diào)節(jié)問(wèn)題，在負(fù)載降低時(shí)增加關(guān)斷時(shí)間所以開(kāi)啟時(shí)間仍然在DCM的Ton周期內(nèi)。關(guān)斷時(shí)間的適應(yīng)實(shí)現(xiàn)調(diào)整VCO的脈沖寬度Tp，這是符合V的誤差放大器的輸出信號(hào)。VCO將在后面討論據(jù)式（1）?（3），開(kāi)關(guān)頻率與輸出功率PODCM之間的關(guān)系可以寫(xiě)成.(7)開(kāi)關(guān)頻率與輸出功率是正比的關(guān)系。但是，在本設(shè)計(jì)中頻率被設(shè)定在40kHz。因此，在一定的負(fù)載條件下，出現(xiàn)供過(guò)于求的變換器進(jìn)入突發(fā)模式狀態(tài)。2.3極輕載或待機(jī)模式時(shí)的突發(fā)模式在極輕載或待機(jī)模式時(shí)，變換器轉(zhuǎn)入突發(fā)模式，圖2c中，突發(fā)開(kāi)啟時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間已經(jīng)確定。負(fù)載調(diào)節(jié)通過(guò)變換器是否采用突發(fā)模式來(lái)實(shí)現(xiàn)。誤差放大器的輸出信號(hào)V和參考量V和V進(jìn)行比較。當(dāng)V>V時(shí)，控制器會(huì)發(fā)出一些脈沖來(lái)改變輸出電容使變換器開(kāi)始突發(fā)模式。因?yàn)槊總€(gè)脈沖變換器都向負(fù)載傳遞過(guò)多的能量，輸出電壓隨著V的減小而持續(xù)增加。脈沖的頻率為40KHz。在突發(fā)模式中，P周期結(jié)束時(shí)，由于谷開(kāi)關(guān)控制電路的輸出信號(hào)V無(wú)法使用共振而衰減到零，DFF不能被觸發(fā)開(kāi)始。這相當(dāng)于一個(gè)最大脈沖持續(xù)時(shí)間Tp最大，是用來(lái)強(qiáng)制設(shè)置事實(shí)上的DFF。無(wú)論電壓值，新的開(kāi)關(guān)周期在P4結(jié)束后就開(kāi)始。當(dāng)V<V，變換器退出突發(fā)模式，導(dǎo)致V持續(xù)增加。輸出功率為(8)其中，N和N是開(kāi)關(guān)脈沖進(jìn)入突發(fā)模式數(shù)和跳出突發(fā)模式數(shù)。負(fù)載減小時(shí)N增多，相應(yīng)的N減少。在非突發(fā)模式時(shí)，除了突發(fā)比較器和一些必須的邏輯門(mén)電路，幾乎全部的內(nèi)部功能模塊關(guān)斷來(lái)減小控制器的靜態(tài)功能損耗。由于共振衰減到零，谷開(kāi)關(guān)不可以使用，在圖2c中，負(fù)載減少相應(yīng)上升的N仍然減小開(kāi)關(guān)損耗和控制器的靜態(tài)功能損耗。因此，和DCM方式相比，突發(fā)模式的低功耗更加適合于運(yùn)行于極輕載和待機(jī)狀態(tài)下。3綜合控制器設(shè)計(jì)圖1中的電路可以焊在同一個(gè)集成芯片上。除此之外，基本的電源功能模塊IC，如欠壓鎖定電路，偏置電流電路，電壓穩(wěn)壓電路。此外，控制器IC還基礎(chǔ)那個(gè)保護(hù)功能模塊，如過(guò)電流保護(hù)，過(guò)電壓保護(hù)，功率限制和軟啟動(dòng)。在這節(jié)，詳細(xì)描述控制器中的兩個(gè)重要的功能模塊。3.1VOC采用VOC的內(nèi)部原理如圖3a所示。如前所述，VOC的脈沖寬度是按照與關(guān)斷時(shí)間相適應(yīng)進(jìn)行調(diào)整的。這是通過(guò)將比較器升高比較基準(zhǔn)電壓作為比較器的一個(gè)功能來(lái)實(shí)現(xiàn)的。和之間的關(guān)系繪于圖3b中。當(dāng)>2V，被設(shè)定在8.3μs，變換器工作在CCMVS情況下，當(dāng)<1.4V，為25μs，變換器在突發(fā)模式下工作，當(dāng)2V和1.4V之間，從8.3μs到25μs線性變化，變換器器工作在DCM模式下并帶有谷開(kāi)關(guān)和AOT。因?yàn)樵贒CM模式下電源的開(kāi)啟時(shí)間被連續(xù)的最小電流設(shè)定，關(guān)斷時(shí)間直接由決定。3.2準(zhǔn)確的谷開(kāi)關(guān)控制電路在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，延遲時(shí)間是LC振蕩過(guò)程為了在過(guò)零和重置RS鎖存器之后實(shí)現(xiàn)谷開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換。這種方法的限制是延遲時(shí)間是根據(jù)諧振元件的應(yīng)用而變化的。由于實(shí)踐隨不同情況而改變，所以高精度難以實(shí)現(xiàn)。在本文提出了一種精確的控制直接獲得波谷的檢測(cè)信號(hào)。圖4a顯示了波谷檢測(cè)實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)控制電路的原理，其中放大器和比較器是常用的元件。圖4b顯示了工作波形。在t=t0，VSENSE的極性由正到負(fù)，為過(guò)零檢測(cè)器的輸出信號(hào)升高，導(dǎo)通V-I變換器和波谷檢測(cè)電路。V-I變換器的大約為零，而通過(guò)電阻的電流是由波谷檢測(cè)電路決定的。在區(qū)間[t0，t1]之間，電流的波形類(lèi)似于的波形。通過(guò)電壓追蹤器A1和VC（即電容兩邊的電壓Cv）追蹤電壓VR（即電阻兩端電壓RV）。在t=t1時(shí)，VSENSE到達(dá)波谷，因此VR和Vc達(dá)到峰值。在此之后，VR開(kāi)始下降，閉環(huán)電壓追蹤器停止工作，使Vc一直保持在峰值。然后谷比較器的輸出信號(hào)V升高。在t=t2時(shí)，VSENSE的極性由負(fù)轉(zhuǎn)正，降低，關(guān)閉V-I轉(zhuǎn)換和波谷檢測(cè)電路。同時(shí)，VR和VC復(fù)位，電路為下一個(gè)波谷檢測(cè)做好了準(zhǔn)備。4變換器的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果控制器芯片是使用1.5um雙金屬材料，BiCMOS工藝的大小為6.3。該芯片模具的照片顯示在圖5。請(qǐng)注意，除了7個(gè)管腳，剩下的全部都是用作測(cè)試的管腳。一個(gè)310V/20V的90W的反激變換器的集成電路的關(guān)鍵參數(shù)見(jiàn)表1。4.1多模式運(yùn)行圖6，7，8顯示的是多模運(yùn)行方式的重，輕，極輕負(fù)載時(shí)的仿真結(jié)果。在圖6中，負(fù)載為85W時(shí)，在次級(jí)電流降到零時(shí)，VCO輸出脈沖的持續(xù)時(shí)間Tp已經(jīng)結(jié)束了。當(dāng)次級(jí)電流過(guò)零的時(shí)候，谷變換器控制電路的輸出信號(hào)V觸發(fā)電源的開(kāi)關(guān)。結(jié)果表明，轉(zhuǎn)換器在開(kāi)關(guān)頻率為66kHz的CCMVS工作模式下運(yùn)作。當(dāng)負(fù)載從85W降低到22W，DCM的開(kāi)啟時(shí)間鎖定為1.2us，同時(shí)Tp從8.6μs上升到10.5μs。因此，次級(jí)電流在Tp周期結(jié)束前不能下降到零，如在圖7所示，所以變換器工作在頻率為81kHz的DCM模式下，圖8a為6W極輕負(fù)載情況下。在開(kāi)關(guān)頻率為大約2kHz的情況下，負(fù)載調(diào)節(jié)通過(guò)突發(fā)比較器的控制實(shí)現(xiàn)。如圖8b所示為突發(fā)模式下波形的細(xì)節(jié)情況，圖中Tp鎖定為25.6μs,突發(fā)模式時(shí)間為2.8μs。實(shí)驗(yàn)結(jié)果為在不同負(fù)載情況下，變換器可以如上所說(shuō)成功的實(shí)現(xiàn)多模式控制。值得注意的是，在DCM和突發(fā)模式的轉(zhuǎn)換過(guò)程中，遲滯提高了抗干擾的能力。然而變換器在兩種模式的雙向選擇過(guò)程使得電源具有不穩(wěn)定性。在這個(gè)設(shè)計(jì)中，突發(fā)模式和DCM模式分別為2.8μs和1.2μs。因此在兩種模式的雙向選擇過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生負(fù)載電流的磁滯回路。實(shí)驗(yàn)中過(guò)渡點(diǎn)分別為0.5A和2A。這個(gè)保證了在模式轉(zhuǎn)換過(guò)程變換器的高可靠性。圖6和7顯示在多模運(yùn)行中，準(zhǔn)確的谷底檢測(cè)也是非常必要的。但是，在電源開(kāi)啟之前大約有400ns的時(shí)間延遲。這是因?yàn)殡娫撮_(kāi)關(guān)和控制器的傳播延遲造成的。在這個(gè)設(shè)計(jì)中，開(kāi)啟頻率N是4.2。所以可獲得的最小電壓為大約220V，雖然仍然有些高。但是可以通過(guò)增加N減小對(duì)效率的進(jìn)一步提高。因此選擇高電壓容限高功率損耗的變換器。因此效率和成本之間需要一個(gè)權(quán)衡。圖9為待機(jī)模式下的波形。在交流耦合的處，變換器工作在突發(fā)模式下，總的功率損耗為0.3W，滿足待機(jī)模式下的設(shè)計(jì)要求。圖10顯示了變換器負(fù)載調(diào)整情況，在0~4.5A的變化過(guò)程中的只有10mV的改變。圖11顯示了變換器的軟開(kāi)關(guān)過(guò)程。4.2開(kāi)關(guān)頻率實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的開(kāi)關(guān)頻率繪制在圖12中。負(fù)載A（40W~100W）情況時(shí)，變換器工作在CCMS模式下，開(kāi)關(guān)頻率隨輸出功率從55到120kHz減小。在負(fù)載B（10W~40W），變換器工作在確定的開(kāi)啟時(shí)間和變化的結(jié)束時(shí)間的DCM模式下。開(kāi)關(guān)頻率從120到40kHz。如果負(fù)載降低到10W以下，變換器工作在負(fù)載C，采用突發(fā)模式控制。突發(fā)模式的結(jié)束時(shí)間隨負(fù)載的減小而增加。因此，變換器可以靈活的隨輸出功率調(diào)整，即使在圖9所示的沒(méi)有負(fù)載的情況下也可以。實(shí)驗(yàn)中頻率變化根據(jù)負(fù)載情況而改變?？刂破鞯墓β蕮p耗曲線標(biāo)注了門(mén)驅(qū)動(dòng)的情況。由于開(kāi)關(guān)頻率的改變控制器的功率損耗可以在不同的負(fù)載情況下都控制在很小的范圍內(nèi)。5結(jié)論本文研究了軟開(kāi)關(guān)反激變換器的多模式控制。在重負(fù)載的情況下，通過(guò)CCMVS來(lái)實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)，從而減小變換器的開(kāi)啟功率損耗，和EMI的功能是相同的。在輕負(fù)載的情況下，變換器工作有谷開(kāi)關(guān)和AOT的DCM模式下，同樣可以限制開(kāi)關(guān)頻率和維持負(fù)載調(diào)節(jié)，在極輕負(fù)載的情況或待機(jī)模式下，采用突發(fā)模式不論是控制器開(kāi)關(guān)頻率和靜態(tài)功率損耗都得到降低。本設(shè)計(jì)通過(guò)靈活控制開(kāi)關(guān)頻率得到了在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)的高效率和優(yōu)越的負(fù)載調(diào)節(jié)能力。為了實(shí)現(xiàn)提出的設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)了集成的控制器電路，擁有VCO實(shí)現(xiàn)多模式控制和準(zhǔn)確的谷開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換控制電路。電路IC控制器的原型被封裝在一個(gè)1.5μm采用BiCMOS工藝電路板中，并應(yīng)用于310V/20V，90W反激式DC/DC變換器電路中。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所有實(shí)驗(yàn)功能都成功的達(dá)到了預(yù)期的效果。反激式變換器實(shí)現(xiàn)了從滿載下降到2.5W，將效率提高到大約80%，最高達(dá)到88.8％，而在待機(jī)模式下的總功耗約為300mV。1.引言

雙正激變換器克服了正激變換器中開(kāi)關(guān)電壓應(yīng)力高的缺點(diǎn),每個(gè)開(kāi)關(guān)管只需承受輸入直流電壓,不需要采用特殊的磁復(fù)位電路就可以保證變壓器的可靠磁復(fù)位.它的每一個(gè)橋臂都是由一個(gè)二極管與一個(gè)開(kāi)關(guān)管串聯(lián)組成,不存在橋臂直通的危險(xiǎn),可靠性高.因此雙正激變換器具有其它變換器無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn),成為目前中大功率變換器中應(yīng)用最多的拓?fù)渲?雙正激組合變換器通過(guò)對(duì)雙正激變換器進(jìn)行并、串組合,可以克服其占空比只能小于0.5的缺點(diǎn),提高變壓器的利用率和變換器的等效占空比,適合應(yīng)用于高輸入和輸出電壓的大功率場(chǎng)合[1,2].

現(xiàn)代電源的發(fā)展方向是高頻化、小型化、模塊化、智能化,實(shí)現(xiàn)變換器的高功率密度、高效率和高可靠性.提高開(kāi)關(guān)頻率,減小磁性元件的體積和重量是提高變換器功率密度的有效措施.但是在硬開(kāi)關(guān)狀態(tài)下工作的變換器,隨著開(kāi)關(guān)頻率的上升,一方面開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)損耗會(huì)成正比地增大,無(wú)源元件的損耗大幅度增加,效率大大降低;另一方面,過(guò)高的dv/dt和di/dt會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的電磁干擾(EMI),影響變換器的可靠性.為了改善高頻變換器開(kāi)關(guān)的工作條件,減小開(kāi)關(guān)損耗和電磁干擾,各種軟開(kāi)關(guān)技術(shù)應(yīng)用而生,包括無(wú)源軟開(kāi)關(guān)技術(shù)與ZVS/ZCS諧振、準(zhǔn)諧振、ZVS/ZCS-PWM、ZVT/ZCT-PWM等有源軟開(kāi)關(guān)技術(shù).

近年來(lái)國(guó)內(nèi)外廣大學(xué)者對(duì)雙正激及其組合變換器的軟開(kāi)關(guān)技術(shù)進(jìn)行了大量的研究.軟開(kāi)關(guān)拓?fù)浯篌w上可分為三類(lèi),即應(yīng)用無(wú)源輔助電路的無(wú)源軟開(kāi)關(guān)拓?fù)?應(yīng)用有源輔助電路的有源軟開(kāi)關(guān)拓?fù)?不需輔助電路的軟開(kāi)關(guān)拓?fù)?本文系統(tǒng)地分析了這三類(lèi)軟開(kāi)關(guān)拓?fù)?指出各種拓?fù)涞奶攸c(diǎn)和適用場(chǎng)合,給出簡(jiǎn)單的分析和評(píng)價(jià),并選擇了一種新型的ZVS雙正激組合變換器,作為高壓直流輸入航空靜止變流器DC/DC級(jí)拓?fù)?成功研制了一臺(tái)4KW的雙正激組合變換器,滿載時(shí)效率高達(dá)95.51%.

2.應(yīng)用無(wú)源輔助電路的無(wú)源軟開(kāi)關(guān)拓?fù)?/p>

2.1原邊箝位型ZVZCS雙正激變換器

文獻(xiàn)[3]提出了一種原邊箝位型ZVZCS雙正激變換器如圖1所示.原邊箝位電路由輔助電感Lr和兩個(gè)箝位二極管D3、D4組成.

圖1原邊箝位型ZVZCS雙正激變換器

S1和S2開(kāi)通時(shí)Lr的電流從零開(kāi)始線性上升,從而減小了D6關(guān)斷時(shí)的di/dt和電壓尖峰,S1和S2為零電流開(kāi)通.S1和S2關(guān)斷時(shí)負(fù)載電流對(duì)開(kāi)關(guān)管的結(jié)電容充電,S1和S2為零電壓關(guān)斷.該拓?fù)涞膬?yōu)點(diǎn)是:通過(guò)簡(jiǎn)單的無(wú)源箝位電路減小了副邊續(xù)流二極管反向恢復(fù)引起的電壓尖峰,降低了電磁干擾,實(shí)現(xiàn)了開(kāi)關(guān)管的零電流開(kāi)通和零電壓關(guān)斷,適合應(yīng)用于高壓輸出的大功率場(chǎng)合.缺點(diǎn)是變換器的開(kāi)關(guān)管為容性開(kāi)通.

2.2一種雙正激電路的軟關(guān)斷拓?fù)?/p>

文獻(xiàn)[4]提出了一種雙正激電路的軟關(guān)斷拓?fù)淙鐖D2所示.通過(guò)比開(kāi)關(guān)結(jié)電容大得多的諧振電容C1、C2限制開(kāi)關(guān)電壓的上升速度,從而實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管的ZVS關(guān)斷.由Lr、C1、C2D3、D4和D5構(gòu)成的箝位電路是無(wú)損的,并能將變壓器漏感所存儲(chǔ)的能量全部返回到輸入電源中.但是開(kāi)關(guān)管開(kāi)通時(shí),諧振電流從開(kāi)關(guān)管流過(guò),增加了開(kāi)關(guān)管的電流應(yīng)力,而且開(kāi)關(guān)管為硬開(kāi)通,對(duì)大功率雙正激電路效率的提高有較大的實(shí)用價(jià)值.

圖2一種雙正激電路的軟關(guān)斷拓?fù)?/p>

2.3無(wú)源ZVT雙正激變換器

圖3示出了一種無(wú)源ZVT雙正激變換器[5],它通過(guò)在變壓器原邊增加輔助電路,實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管的零電壓關(guān)斷.其工作原理為:當(dāng)兩個(gè)開(kāi)關(guān)管開(kāi)通時(shí),諧振電容Cr和諧振電感Lr通過(guò)開(kāi)關(guān)S2及二極管D3諧振,將Cr上的電壓改變極性,在開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí),由于Cr比開(kāi)關(guān)管的結(jié)電容大得多,因此限制了開(kāi)關(guān)管電壓的上升速度,從而實(shí)現(xiàn)零電壓關(guān)斷.這種變換器的優(yōu)點(diǎn)是不需要增加有源開(kāi)關(guān)器件,因此電路簡(jiǎn)單.但是由于在開(kāi)關(guān)開(kāi)通時(shí),諧振電流要從下管S2流通,因此增加了下管的電流應(yīng)力,而且開(kāi)關(guān)管為硬開(kāi)通,開(kāi)通損耗較大.

圖3無(wú)源ZVT雙正激變換器

2.4無(wú)損緩沖ZVZCS雙正激變換器

文獻(xiàn)[6]提出了一種無(wú)損緩沖ZVZCS雙正激電路如圖4所示.通過(guò)輔助電感Lr實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管的零電流開(kāi)通,由諧振電容Cr實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管的零電壓關(guān)斷.該變換器在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)都可以實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān),通態(tài)損耗較小,而且緩沖電路是無(wú)損的.

圖4無(wú)損緩沖ZVZCS雙正激電路

2.5帶能量吸收電路的軟開(kāi)關(guān)雙正激變換器

文獻(xiàn)[7]提出了一種開(kāi)關(guān)管和副邊整流二極管帶能量吸收緩沖電路的雙正激電路如圖5所示.無(wú)損吸收緩沖網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了原邊開(kāi)關(guān)管的零電流開(kāi)通、零電壓關(guān)斷和副邊整流二極管的零電流開(kāi)通,并且副邊整流二極管不存在電壓尖峰和反向恢復(fù)損耗.該電路結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,需要附加2套緩沖電路.

圖5帶能量吸收緩沖電路的軟開(kāi)關(guān)雙正激變換器

2.6橋臂互感型軟開(kāi)關(guān)雙正激組合變換器

文獻(xiàn)[8]提出了一種橋臂互感型軟開(kāi)關(guān)雙正激組合變換器如圖6所示,將兩個(gè)雙正激變換器的串聯(lián)組合,副邊采用倍流整流電路,適用于高輸入電壓、低壓大電流輸出的場(chǎng)合.開(kāi)關(guān)管承受的電壓僅為輸入直流電壓的一半.利用耦合電感中儲(chǔ)存的能量實(shí)現(xiàn)開(kāi)的零電壓開(kāi)關(guān),同時(shí)采用移相控制技術(shù)調(diào)節(jié)輸出電壓和實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān).由于采用了帶兩個(gè)原邊繞組的變壓器,所以能夠使變壓器磁芯工作在雙象限和實(shí)現(xiàn)輸入電容電壓的自動(dòng)均壓.該電路的缺點(diǎn)是每個(gè)橋臂上的輔助電路增加了開(kāi)關(guān)管的電流應(yīng)力,電路的導(dǎo)通損耗比較大,輔助電路較復(fù)雜.

圖6橋臂互感型軟開(kāi)關(guān)雙正激組合變換器

2.7改進(jìn)的橋臂互感型軟開(kāi)關(guān)雙正激組合變換器

文獻(xiàn)[9]提出了一種改進(jìn)的橋臂互感型軟開(kāi)關(guān)雙正激組合變換器如圖7所示,不僅具有圖6電路所具有的優(yōu)點(diǎn),而且不需要采用圖6電路所示的輔助電路.通過(guò)PWM控制開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷,利用偶合的諧振電感Lr1和Lr2實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管的零電壓開(kāi)通,但是軟開(kāi)關(guān)范圍受一定的限制.由于輸入電容的自動(dòng)均壓方式是通過(guò)原邊電流流經(jīng)開(kāi)關(guān)管和變壓器在兩個(gè)電容之間相互傳遞能量實(shí)現(xiàn)的,因而會(huì)增加開(kāi)關(guān)管的電流應(yīng)力和導(dǎo)通損耗.而且副邊整流二極管的電壓應(yīng)力較大,不適合應(yīng)用在高輸出電壓場(chǎng)合.該變換器適用于高輸入電壓、低壓大電流輸出的大功率場(chǎng)合.

圖7改進(jìn)的橋臂互感型軟開(kāi)關(guān)雙正激組合變換器

3.應(yīng)用有源輔助電路的有源軟開(kāi)關(guān)拓?fù)?/p>

3.1有源箝位軟開(kāi)關(guān)雙正激變換器

文獻(xiàn)[10]提出了一種有源箝位軟開(kāi)關(guān)雙正激變換器如圖8所示.通過(guò)在變壓器的原邊并聯(lián)一個(gè)由Sa、Ca、Da構(gòu)成的有源箝位網(wǎng)絡(luò),不僅可以箝位開(kāi)關(guān)管的電壓,還可以實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管和輔管的零電壓開(kāi)通.同時(shí)變壓器勵(lì)磁電流雙向流動(dòng),提高了變壓器磁芯的利用率.電路工作于準(zhǔn)方波模式,可以進(jìn)行恒頻PWM控制,電磁兼容性好.

圖8有源箝位軟開(kāi)關(guān)雙正激變換器

3.2一種新型的有源箝位雙正激變換器

為了減小變換器原邊開(kāi)關(guān)管和副邊二極管的開(kāi)關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗,文獻(xiàn)[11]提出了一種新型的有源箝位雙正激變換器如圖9所示,利用2個(gè)開(kāi)關(guān)管Sa1、Sa2代替?zhèn)鹘y(tǒng)雙正激電路原邊的2個(gè)箝位二極管,同時(shí)加入一個(gè)箝位電容,實(shí)現(xiàn)主開(kāi)關(guān)管和輔管的ZVS開(kāi)通.該拓?fù)潆娐方Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔,而且輔管Sa1、Sa2可以選用電壓定額較低的開(kāi)關(guān)管.該變換器適用于寬輸入電壓范圍的中、低壓場(chǎng)合,但是輔管的引入增加了電路控制的復(fù)雜性.

圖9一種新型的有源箝位雙正激變換器

3.3一種有源軟開(kāi)關(guān)雙正激變換器

文獻(xiàn)[12]提出了一種有源軟開(kāi)關(guān)雙正激變換器如圖10所示.輔助諧振網(wǎng)絡(luò)的輔管可以零電流開(kāi)通,ZVS關(guān)斷,同時(shí)實(shí)現(xiàn)主開(kāi)關(guān)管S1的零電壓零電流開(kāi)通、零電壓關(guān)斷和S2的零電流開(kāi)通.該拓?fù)涞娜秉c(diǎn)輔助電路結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,開(kāi)關(guān)管S2是硬關(guān)斷,而且存在容性開(kāi)通損耗.

圖10一種有源軟開(kāi)關(guān)雙正激變換器

3.4串聯(lián)組合式ZVS雙正激變換器

圖11所示電路[13]是由兩個(gè)ZVS雙正激變換器串聯(lián)組成.它可以實(shí)現(xiàn)主開(kāi)關(guān)管的零電壓開(kāi)通和輔管的零電流開(kāi)通、零電壓零電流關(guān)斷.在主開(kāi)關(guān)管開(kāi)通前超前導(dǎo)通輔管Sa1(或Sa2),通過(guò)Lr1(或Lr2)和Cr1(或Cr2)諧振,使諧振電容上的電壓達(dá)到Vin/2,然后開(kāi)通主開(kāi)關(guān)管.由于該電路采用了帶兩個(gè)原邊的變壓器,所以它能實(shí)現(xiàn)磁芯的雙象限工作和輸入電容的自動(dòng)均壓,適合應(yīng)用在高電壓輸入的大功率場(chǎng)合.但是副邊整流二極管的電壓為兩倍的副邊電壓,因而限制了變換器在高輸出電壓領(lǐng)域的應(yīng)用.

3.5有源ZVT雙正激變換器

文獻(xiàn)[14]提出了一種有源ZVT雙正激變換器如圖12所示.其基本原理與圖4所示的無(wú)源ZVT電路一樣,也是通過(guò)比開(kāi)關(guān)結(jié)電容大得多的諧振電容Cr限制開(kāi)關(guān)電壓上升速度,從而實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)ZVS關(guān)斷.與圖4不同的是,諧振回路與主回路完全分開(kāi),在諧振網(wǎng)絡(luò)中增加了諧振開(kāi)關(guān)Sa,諧振電流不從下管中流過(guò),因此不增加變換器主開(kāi)關(guān)管的電流應(yīng)力.而且通過(guò)在S1、S2開(kāi)通之前很短的時(shí)間內(nèi)超前開(kāi)通諧振開(kāi)關(guān)Sa,能夠?qū)崿F(xiàn)S1、S2的零電壓開(kāi)通.該帶電路的缺點(diǎn)是Sa零電流開(kāi)關(guān),但為容性開(kāi)通,而且這種變換器增加了電路的復(fù)雜性.

圖12有源ZVT雙正激變換器

3.6ZVT交錯(cuò)并聯(lián)雙正激組合變換器

文獻(xiàn)[15]提出了一種ZVT交錯(cuò)并聯(lián)雙正激組合變換器,如圖13所示,采用一套輔助電路實(shí)現(xiàn)整個(gè)組合變換器的主開(kāi)關(guān)管的ZVS.輔助電路由兩個(gè)開(kāi)關(guān)管Sa1、Sa2、D5、D6有和諧振電容Cr組成,將變壓器漏感和勵(lì)磁電感作為諧振電感,減少了外加諧振電感帶來(lái)的損耗.但是輔管是零電流開(kāi)關(guān),存在容性開(kāi)通損耗.

圖13ZVT交錯(cuò)并聯(lián)雙正激組合變換器

3.7ZCT雙正激變換器

文獻(xiàn)[16]提出了ZCT雙正激變換器,如圖14所示,在每個(gè)開(kāi)關(guān)管旁并聯(lián)一個(gè)諧振回路,在主開(kāi)關(guān)管關(guān)斷之前開(kāi)通諧振開(kāi)關(guān),通過(guò)諧振回路的諧振,將主開(kāi)關(guān)管的電流轉(zhuǎn)移到諧振回路中,從而實(shí)現(xiàn)主開(kāi)關(guān)管的零電流關(guān)斷,諧振開(kāi)關(guān)在諧振電流過(guò)零時(shí)自然關(guān)斷.ZCT雙正激變換器特別適合于以IGBT作主開(kāi)關(guān)管的應(yīng)用場(chǎng)合,可以避免IGBT關(guān)斷時(shí)由拖尾電流引起的關(guān)斷損耗.但是主開(kāi)關(guān)管是硬開(kāi)通,而且需要兩個(gè)輔助開(kāi)關(guān)和兩套輔助電路,因此電路結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜.

圖14ZCT雙正激變換器

3.8廣義軟開(kāi)關(guān)-PWM雙正激變換器

廣義軟開(kāi)關(guān),就是用有源或無(wú)源的無(wú)損吸收電路,使開(kāi)關(guān)過(guò)程軟化,實(shí)現(xiàn)近似零電壓開(kāi)通或近似零電流關(guān)斷,減少開(kāi)關(guān)損耗,同時(shí)降低整流二極管的反向恢復(fù)損耗.它可以達(dá)到與傳統(tǒng)ZVT或ZCT軟開(kāi)關(guān)幾乎相同的指標(biāo),但比傳統(tǒng)軟開(kāi)關(guān)具有電路簡(jiǎn)單,成本低廉,可靠性高的優(yōu)點(diǎn).圖15所示是一種廣義軟開(kāi)關(guān)-PWM雙正激變換器[17,18],原理簡(jiǎn)述如下:主開(kāi)關(guān)管S1、S2以及輔管Sa同時(shí)開(kāi)通,回路中Lr限制了主開(kāi)關(guān)管的電流上升率,減小了開(kāi)通損耗.S1先關(guān)斷,變壓器電流對(duì)C1充電,C1上的電壓不能突變,因此S1電壓上升電壓斜率受到限制,關(guān)斷損耗減小.令Sa先于S2關(guān)斷,當(dāng)S2關(guān)斷時(shí),器電流對(duì)C2充電,和S1關(guān)斷情況相同,減小了S2的關(guān)斷損耗.該電路的特點(diǎn)是:變壓器和吸收電感的儲(chǔ)能可回饋給電源,輔管Sa可實(shí)現(xiàn)ZVS,S1、S2雖然不是零電壓開(kāi)通,也不是零電流關(guān)斷,但是有源無(wú)損吸收電路有效地軟化了開(kāi)關(guān)過(guò)程.但是吸收電路需增加輔助開(kāi)關(guān)管,控制較復(fù)雜.

圖15廣義軟開(kāi)關(guān)-PWM雙正激變換器

4.不需輔助電路的軟開(kāi)關(guān)拓?fù)?/p>

4.1雙橋式ZVS雙正激組合變換器

圖16提出了一種雙橋式ZVS雙正激組合變換器[19],兩個(gè)雙正激變換器在原邊串聯(lián),共用一個(gè)高頻變壓器,通過(guò)移相控制,并利用變壓器漏感和勵(lì)磁電感實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管的零電壓開(kāi)通.變壓器磁芯的雙象限磁化實(shí)現(xiàn)了輸入電容的自動(dòng)均壓.該電路適用于高輸入、輸出電壓,大電流輸出的場(chǎng)合,但是通態(tài)損耗較大.

圖16雙橋式ZVS雙正激變換器

4.2ZVZCSPWM交錯(cuò)并聯(lián)的雙正激組合變換器

文獻(xiàn)[20]提出了一種ZVZCSPWM并聯(lián)的雙正激組合變換器如圖17所示,副邊采用耦合的濾波電感以減小空載電流和環(huán)流電流,Ls1、Ls2是變壓器的副邊漏感.通過(guò)P