新型倍流整流器电路

新型倍流整流器电路的研究新型倍流整流器电路的研究 郑国青 华伟郑国青 华伟 北方交通大学电气工程学院北方交通大学电气工程学院 100044100044 北京北京 摘摘 要要 介绍了一种新型的整流器电路 并提出了几种变换拓扑结 构以及这种整流器的优缺点 最后通过 PSPICE 仿真软件进行了仿真验 证 关键词关键词 倍流整流器 开关电源 PSPICE 仿真 1 1 引言引言 近年来 随着开关电源技术的进展 一种新型的合适于推挽及桥式 功率变换器的倍流整流器 Current Doubler Rectifier 副边整流拓 扑电路结构脱颖而出 引起人们的注意 并在电流模式控制移相型谐振 零电压软开关电源中得到应用 本文对此新型整流拓扑电路结构进行较 为深入的研究 并给出了 PSPICE 仿真验证波形及一些有应用价值的电 路接线法和结论 2 2 倍流整流器拓扑结构倍流整流器拓扑结构 倍流整流器的电路拓扑结构如图 1 和图 2 所示 它们的构成元件是 相同的 只是其中二极管和电感元件的位置有所不同 但两个电路的功 能是等效的 倍流整流器适用于推挽及桥式功率变换器变压器 图 1 和 图 2 中 T 所示 副边侧的高频整流 在图 1 中 变压器的副边绕组产生 对称的高频正负方波电压 当副边绕组的上端电压为正时 副边电流经 过 L1 C 和 R D2再回到副边绕组 当副边绕组的下端电压为正时 副 边电流经过 L2 C 和 R D1再回到副边绕组 倍流整流器按照这一过程 将高频交流方波电压整流为直流输出电压 图 2 电路的工作原理与图 1 相同 与全波整流相比 倍流整流器的高频变压器的副边绕组仅需一个 单一绕组 不用中心抽头 与桥式整流相比 倍流整流器使用的二极管 数量少一半 所以说 倍流整流器是结合全波整流和桥式整流两者优点 的新型整流器 当然 倍流整流器要多使用一个输出小滤波电感 但此 电感的工作频率及输送电流均比全波整流器的要小一半 因此可做得较 小 另外双电感也更适合于分布式功率耗散的要求 参照图 3 中的符号 倍流整流器的具体工作波形见图 4 在图 4 中 可以注意到如下几点 1 高频变压器副边平均输送电流仅为输出负载电流的一半 2 滤波电感平均输送电流仅为输出负载电流的一半 输出负载 电流由两个电感同时分担 每个滤波电感的工作频率等于高频变压器频 3 当一个电感在高频变压器副边的电压驱动下通过副边输送一 半负载电流时 另一个电感也输送着相对于输出负载电流相同方向的另 一半续流电流 且此续流电流下通过副边绕组 由于此续流电流仅为输 出负载电流的一半 当副边电压再次改变极性时 此续流二极管的反向 恢复尖峰电流较小 两个二极管上的续流电流在死区期间是均衡分布的 3 3 倍流整流器正常工作条件倍流整流器正常工作条件 1 无效整流纯电感回路的工作抑制条件 式中 L 为 L1或 L2 w 为开关频率 f 的 2 倍 即 w 2 f 2 在图 4 的波形中要保证 L1及 L2中的电流始终为正值 必须满 足如下条件 a 要有足够大的电感值 以保证电感纹波电流起伏波动值不大 b 要保证两个滤波电感中的电流均等变化 4 4 倍流整流器拓扑的优缺点倍流整流器拓扑的优缺点 4 14 1 倍流整流器的拓扑的优点倍流整流器的拓扑的优点 1 高频变压器的副边仅需单一绕组 不需要变压器中心抽头 而且变压器仅需输送近似一半的输出电流 使得变压器结构更简单 相 比较而言 桥式整流虽然也是采用单一副边绕组 但使用的二极管数量 多一倍 全波整流虽然二极管用得少 但副边绕组需要中心抽头 制做 复杂 2 在开关死区时 副边侧输出 电感 电流基本上不通过高频 变压器的副边绕组续流 而且不会影响原边性能 包括影响占空比的变 化 3 具有两种等效的电路拓扑结构可供变换选择 a 图 1 适合于共阳二极管接法 图 2 合适于共阴二极管接法 b 共阳二极管接法特别适合于 VDMOS 的同步整流 将两个二极管替 换为 VDMOS 而它们正好是共源极连接 很适合用在高频主变压器上的 辅助带中心抽头绕组来同步驱动 如图 5 所示 c 有可能通过三点式 耦合 电感方式引入前置小电感 抑制二极 管较大的反向恢复电流 如图 6 所示 4 输出滤波电感可以做得较小 较适合于分布式功率耗散 因为倍流整流器的滤波电感的工作频率为全波整流滤波电感的一半 等于开关电源的变压器工作频率 而且滤波电感驻输送一半的直流输出 电流 倍流整流器的滤波电感可以比全波整流器的电感做得更小 4 24 2 倍流整流器拓扑的缺点倍流整流器拓扑的缺点 1 需要二个输出电感 比全波及桥式整流多用一个电感 2 需要采用电流模式控制来保证两个滤电感中的电流均等 3 在副边侧 存在一个不通过输出负载的无效整流电感回路 因此倍流整流器存在一个正常工作条件 见上文 的要求 5 5 PSPICEPSPICE 仿真验证仿真验证 图 7 所示为共阳极二极管接法的拓扑电路 图 1 仿真电路图 图 8 9 所示分别为正常与不正常条件下的仿真波形 在图 7 中 用 U1和 U2分别来产生正负方向的电压脉冲 其幅值为 6V 占空比为 80 用压 控开关 S1和 S2来代替二极管 D1和 D2 它们分别受 U2 和 U1 的控制 负 载为一纯电感 R1 在不考虑实际二极管的反向恢复特性的情况下该电路 与图 1 所示电路是完全等效的 图 8 9 所示的仿真波形与实际相比只 是少了在电压突变时的二极管反向恢复尖峰 因此该电路的仿真结果有 较大的参考价值 与图 8 和图 9 相对应的电感和电容参数见表 1 频率 f 200kHz 图 8 b 为将电流放大后的波形 由图可以看出 当正常工作时 每个 电感所流过的平均电流为负载平均电流的一半 在职图 8 中电感的平均 电流为 1 2A 负载平均电流为 2 4A 并且安们两者之和铡好等于负 载电流 输出电压跟输出电流是完全一致的 只需将电流乘以电阻值即可 由于一电感电流上升的同时另一电感电流值却是减小 所以电感上的电 流波动较全波整流的情况大了许多 当电感参数值一样 对照于全波整 流的情况 时其电压降会很大 这一点会大大影响变压器的设计 必须 减小原副边变比并留有足够的余量 而当不满足参数条件时 见图 9 电感电流出现了负值 即出现了两电感电流贯通的情况 并且电 流值很大 阻抗小 所以不能提供完全的负载电流 输出电压极为不 稳定 6 6 结论结论 综上所述 倍流整流器是一种较之传统的全波和全桥整流器性能更 优越的整流电路方案 它在实际应用中有广泛的前景 尤其是在电流控 制工匠 中大功