一族基于正激基本单元的自磁复位正激变换器

1、第30卷 第27期 中 国 电 机 工 程 学 报49文章编号：0258-8013(2010 27-0049-06 中图分类号：TM 46 文献标志码：A 学科分类号：470·40 一族基于正激基本单元的自磁复位正激变换器吴红飞，邢岩(航空电源航空科技重点实验室(南京航空航天大学, 江苏省 南京市 210016Forward Converters With Inherent Demagnetizing Features Based on Forward Basic CellsWU Hongfei, XING Yan(Aero-Power Science-Technology Cent

2、er(Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing 210016, Jiangsu Province, ChinaABSTRACT: Three basic switching cells including forward positive cell, forward negative cell and forward blending cell of forward converter with inherent demagnetizing features were proposed. All cells which

3、 consist of switching device, diode and transformer, are the basic building blocks of forward converters that use auxiliary diodes to realize natural magnetizing reset. A new method to construct forward topologies, which is based on the concept of basic cells and their series and parallel connection

4、s, was proposed. The two switches forward converter and interleaved series input parallel output forward converter were constituted from the basic cells by using the proposed method and a series of new topologies of forward converter were proposed. The analysis of one of the proposed topologies was

5、presented and verified by an experimental prototype.KEY WORDS: forward converter；basic switching cell；dc-dc converter ；topology ；magnetizing reset摘要：提出一类自磁复位正激变换器原边电路的3种基本开关单元：正激正单元、正激负单元和正激复合单元，这些基本开关单元由开关管、磁复位二极管和变压器构成；提出基于基本单元串并联的构造正激变换器的推演方法，按照该方法可以构造出双管正激变换器和交错串并联正激变换器等现有拓扑，以及一组新的正激变换器拓扑。给出推演实例

6、和拓扑分析，验证推演方法的有效性，并以其中的一个拓扑为例，进行实验验证。关键词：正激变换器；基本开关单元；直流变换器；拓扑；磁复位0 引言正激变换器由于电路结构简单和具有较高的效率，获得了广泛的研究与应用1-12。正激变压器的磁复位问题是正激变换器特有的问题，针对该问题已经提出了多种解决方案，包括采用辅助变压器绕组2、RCD 电路磁复位3、LCDD 谐振磁复位4、谐振磁复位5、双管正激6、有源钳位7等各种方式。其中，双管正激变换器采用两个二极管完成变压器的磁复位，电路简单、开关管电压应力低8-12。文献13中提出了交错串并联正激变换器，较之双管正激变换器，原边使用开关器件数量相同但副边等效占空

7、比和等效开关频率提高了一倍。文献14-15中提出了变换器电路拓扑基本单元的概念，文献16-17中将基本开关单元概念进行了扩展，并提出了正单元和负单元两种基本开关单元，指出包括基本直流变换器、电压源逆变器、电流源逆变器及多电平变换器在内的各种拓扑都可以由基本单元合成得到。正激变换器由于变压器磁复位问题与一般的变换器不同，因此正激变换器不能由上述的基本开关单元直接得到。双管正激变换器和交错串并联正激变换器13等，均为使用二极管完成变压器磁复位的正激变换器, 是否可以通过某种基本电路单元统一到一起或归为一类呢？基于上述思路，本文首先分析正激变换器基本单元成立的条件，并提出两种基本正激单元：正激正单元

8、(forward positive cell，FPC 和正激负单元(forward negative cell，FNC ，以及一种正激复合单元(forward blending cell，FBC ，并提出了基于基本单元串并联的一类正激变换器推演方法。1 正激变换器基本单元1.1 基本正激单元正激变换器由功率传输回路、变压器磁复位回基金项目：江苏省科技成果转化基金(BA2008001。Project Supported by a Grant from the Transformation of Scientificand Technological Achievements in Jiangsu

9、 Province(BA200800150 中 国 电 机 工 程 学 报 第30卷 路和输出整流滤波电路3部分构成，由于各种正激变换器的输出整流及滤波电路基本一致，因此基本单元只关注原边支路，它应该具备功率传输和变压器磁复位两种功能。提出的基本正激单元如图1所示。基本单元由开关管、二极管和变压器构成，包括(+、( 和(N 3个端点，根据开关管直接连接到(+端还是( 端分为FPC 和FNC ，图1中同时给出了变压器允许的电流方向。为了完成功率传输及变压器的磁复位，应将基本单元中的(+端连接到输入电源的正极性端，( 端连接到输入电源的负极性端，(N端的电位必须首先满足表1所示条件。(a 正单元(

10、FPCUU +U 图1 基本正激单元Fig. 1 Basic switching cells of forward converter表1 N端电位需满足的条件Tab.1 Potential conditions of N terminal基本单元 开关管开通时开关管关断时FPC U +>U N U N >U FNCU N >U U +>U N假设开关管的占空比为d ，为了使变压器在开关管关断期间完成磁复位，对于FPC 必须满足：+N N ( (1( d U U d U U (1对于FNC 需满足：N N ( (1( d U U d U U + (2式(1和式(2决定了

11、对应基本单元中开关管的最大占空比。从基本正激单元的构成及其功能可以看到，FPC 和FNC 互为镜像电路16-17。 1.2 复合正激单元将FPC 的( 端与FNC 的(+ 端直接相连，则在桥臂的中间出现了两个二极管的直接串联结构，将串联的两个二极管合并为一个就得到了FBC ，如 图2所示。FBC 包括4个端子(+ 、( 、(N1 和(N2 ，在FBC 中同时包括了FPC 和FNC 两个基本单元，桥臂中的二极管同时作为FPC 与FNC 两个单元的磁复位二极管，在FBC 中，T 1为FPC 的变压器，T 2为FNC 的变压器，而FBC 的(+ 端和( 端同时作为FPC 和FNC 的(+ 端和( 端

12、。FBC 在构成正激变换器时，(+ 和( 端连接输入电压源，而(N1 和(N2 的电位必须首先满足表2所示条件。图2 复合正激单元Fig. 2 Forward blending cell表2 N 1端和N 2端电位需满足的条件Tab. 2 Potential conditions of N1 and N2 terminalsS 1开通时 S 1关断时 S 2开通时 S 2关断时 U +> UN1U N1> UU N2> UU +> UN2假设开关管S 1的占空比为d 1，开关管S 2的占空比为d 2，为了使变压器在开关管关断期间完成磁复位，则开关管占空比需满足如下关系：

13、1N111( (1( N d U U d U U + (32N22N2( (1( d U U d U U + (4式(3和式(4决定了开关管S 1和S 2所允许的最大占空比。当S 1开通时，输入电源通过变压器T 1向负载提供能量，当S 1关断后，T 1通过S 2的体二极管及二极管D 去磁，因此T 1的去磁为开关管S 2的ZVS 创造了条件，同理，T 2的去磁为S 1的ZVS 创造了条件，因此FBC 的提出为建立ZVS 正激变换器提供了条件。2 基于基本单元串并联的正激变换器2.1 单个基本单元分析单独FPC 或者FNC 在满足表1所规定的电位条件下也能够构成正激变换器，但需要使用两个独立电压源

14、，其中一个用作向负载提供能量，而另一个则仅用作变压器去磁，从输入源的利用程度来看，这种变换器并不实用。下文分析表明，将一个或者多个基本单元按照一定规则进行组合可以得到一系列正激变换器拓扑，其中包括双管正激变换器和交错串并联正激变换器13等现有拓扑及一些新的拓扑。2.2 基本单元串并联组合规则基本单元在进行串并联组合时，首先要满足 表1、2所规定的端点之间的电位关系，在此基础上，可以依据以下规则进行组合：规则1：任意基本单元的桥臂可以直接串联，串联的方式为：其中一个基本单元的(+端与另一个基本单元的( 端相连。规则2：任意基本单元的桥臂可以直接并联，第27期 吴红飞等：一族基于正激基本单元的自磁

15、复位正激变换器 51 并联的方式为：两个基本单元的(+ 端与(+ 端相连，( 端与( 端相连，并联时互为镜像电路的基本单元需成对出现。规则3：互为镜像单元的变压器通过(N端(包括(N1 和(N2 相连，当两变压器的电流不相等时，(N端与(+ 端及(N端与( 端之间需接入电压源以满足端点之间的电位关系，同时为多余的电流提供通路；当两变压器的电流相等时，两个变压器可以合并为一个变压器，此时，两个(N端进行合并，电路中不再存在(N端。规则4：串并联完成后，属于同一个基本单元的(+ 端与( 端要分别与电压源的正负极相连。在满足上述规则的前提下，通过一个或者多个基本单元的组合将产生大量的正激变换器拓扑，

16、随着参与组合的基本单元数目的增多，拓扑中使用的正激变压器数量也会增多，本文只给出最多包含两个正激变压器的正激变换器拓扑。 2.3 双管正激变换器的生成由一个FPC 和一个FNC 并联构成双管正激变换器拓扑的过程如图3所示。oU图3 双管正激变换器的生成Fig. 3Generation of two switches forward converter1）将FPC 与FNC 桥臂并联，变压器串联，如图3(a所示。2）允许变压器T 1、T 2原边电流始终相等，变压器T 1和T 2合并，(N端消失，如图3(b所示。3）将FPC 与FNC 并联后得到的图3(b所示电路的(+和( 端连接输入电压源，同时

17、加入正激变换器变压器副边整流和滤波电路，得到双管正激变换器，如图3(c所示。2.4 交错串并联正激变换器的生成由一个FPC 和一个FNC 并联构成交错串并联正激变换器拓扑的过程如下，如图4所示。1）将FPC 与FNC 桥臂并联，变压器串联，如图4(a所示。(a基本单元并联oU图4 交错串并联正激变换器的生成Fig. 4 Generation of interleaved series input paralleloutput forward converter2）允许变压器T 1、T 2原边电流不相等，在(N端与(+端及(N端与( 端间接入电压源(由电容C 1与C 2提供 ，如图4(b所示。3

18、）将FPC 与FNC 并联后得到的图4(b所示电路的(+ 与( 端分别与输入电压的正极与负极相连，同时加入正激变换器变压器副边整流和滤波电路，得到交错串并联正激变换器，如图4(c所示。该拓扑已由文献13提出并验证了其正确性。 2.5 一族正激变换器拓扑的推演按照上述步骤，可以推演出一族正激变换器拓扑，如图5所示。图5(a为由一个FBC 构成的正激变换器，为区别于前面提到的交错串并联正激变换器，将该变换器称为新型交错串并联正激变换器，图5(b为由两个FBC 并联构成的正激变换器18，图5(c为由FPC 、FNC 、FBC 并联构成的正激变换器，图5(d为由FPC 与FNC 串联后再与FBC 并联

19、构成的正激变换器，图5(e为FPC 、FNC 、FBC 3种基本单元复合并联构成的正激变换器。由于复合单元是由正负单元串联后化简得到的，因此图5中包含复合单元的正激变换器都可以认为是由基本正负单元串并联组合然后化简得到的。对于具有两个变压器的正激变换器，其副边有两路输出，因此副边可以两路并联输出也可以两路串联输出，串联输出适用于输出高压场合，并联输出适用于输出大电流场合，图5中给出的都是副边并联输出的连接方式。上述的所有正激变换器全部采用辅助二极管完成正激变压器的磁复位，不需要额外的磁复位电路，故统称为自磁复位正激变换器。52中 国 电 机 工 程 学 报第30卷 ooooR o图5 一族自磁

20、复位正激变换器Fig. 5 A family of forward converter withinherent demagnetizing features3 新型交错串并联正激变换器的分析以图5(a所示的新型交错串并联正激变换器为例，分析其主要的工作模态，由于两个变压器的磁化和去磁相互影响，开关管S 1与S 2必须互补工作，其中一个关断时另一个开通，因此副边整流电路中的续流二极管D 4可以省去，同时考虑到开关管和变压器的寄生参数，图5(a重画为图6。图6所示新型交错串并联正激变换器可以利用变压器的漏感实现开关管的ZVS ，为了实现开关管的ZVS ，两开关管互补的驱动信号之间需要加入一定的死

21、区时间。变换器稳态时在一个开关周期内的主要工作模态和工作波形分析如下。R o图6 新型交错串并联正激变换器Fig. 6 Novel interleaved series input parallel outputforward converter为简化分析作如下假设：1）开关管S 1与S 2由理想开关、体二极管和寄生电容并联构成，且C S1=C S2；2）N P1、N S1及N P2、N S2分别为变压器T 1及T 2的原边绕组和副边绕组，且N P1:N S1=N P2:N S2= n ；3）L S1和L S2分别为变压器T 1和T 2的漏感，L S1=L S2；4）C 1=C 2且足够大，可

22、以认为U C1=U C2= U in /2，U C1、U C2分别为C 1与C 2上的电压；5）输出滤波电感L o 足够大，可以认为电感L o 的电流是幅值等于I Lo 的直流；6）开关管S 1与S 2占空比相等即d 1=d 2。图7为变换器在半个开关周期内的主要工作波形，共有5个工作模态。各模态的等效电路如图8所示。1）开关模态1t 0t 1。如图8(a所示：t 0时刻之前，S 1导通，S 2关断，变压器T 1磁化电流正向增大，D 2导通，输入电压通过T 1向负载传递能量。t 0时刻，S 1关断，电感L S1与L S2与开关管寄生电容一起谐振，S 1两端电压谐振上升，S 2两端电压谐振下降，

23、当S 1两端电压上升到U in 、S 2两端电压降为0时，该模态结束。d 1d 2u u u i i i D10 V0 V0 V0 A0 A图7 主要工作波形Fig. 7 Operation waveforms of the proposed converter第27期吴红飞等：一族基于正激基本单元的自磁复位正激变换器 53 o(a t 0t 1R oo(c t 2t 3R oo(e t 4t 5图8 各模态等效电路Fig. 8 Equivalent circuits of different work modes2）开关模态2t 1t 2。如图8(b所示，t 1时刻，S 2的反并体二极管导通

24、，电感L S1与L S2的电流在输入电压的作用下分别线性下降和线性上升，开关管两端电压保持不变。3）开关模态3t 2t 3。如图8(c所示，t 2时刻，S 2零电压开通，电感L S1与L S2的电流在输入电压的作用下分别线性下降和线性上升，当两电感L S1与L S2电流相等时，该模态结束。4）开关模态4t 3t 4。如图8(d所示，t 3时刻，两电感L S1与L S2电流相等，S 2的体二极管截止，电感L S1与L S2的电流在输入电压的作用下分别线性下降和线性上升，当L S2的电流等于I Lo /n 时，该模态结束。5）开关模态5t 4t 5。如图8(e所示，t 4时刻，二极管D 2截止，变

25、压器T 1开始去磁，变压器T 2开始磁化，输入电压通过T 2向负载提供能量，直到t 5时刻，开关管S 2关断，变换器进入下半个开关周期，其工作过程与前半个周期相似，不再重复叙述。4 实验结果与分析以图6所示新型交错串并联正激变换器为例，搭建了一台1 kW 的原理样机。主要参数为：输入直流电压U in =(280±20V ；输出电压U o =48 V ；开关管S 1与S 2以占空比d =0.47开环工作；变压器磁芯为EE55。变压器变比为20:7；变压器漏感L S1= 4.1 H ，L S2=4.2 H ；开关管(S1S2 为IRFP460；原边二极管(D1 为UF208；副边整流二极

26、管(D2D3 为MBR40250-D ；输出滤波电感L o =5 H ；输出滤波电容C o =440 F ；原边分压电容C 1=C 2=330 F ；开关频率f s =90 kHz 。图9(a为满载时开关管S 1的驱动电压u GS1和漏源电压u DS1的波形，图9(b为满载时开关管S 1和S 2的漏源电压(u DS1和u DS2 以及变压器T 1和T 2的原边电流(i P1和i P2 的波形。从图9可知，开关管S 1实现了零电压开通，实验表明了理论分析的正确性。u D S 1u G S 1 (a 开关管S 1的驱动和漏源电压波形t (2 s/格 i P 1, i P 2(100 V /格 u

27、D S 1, u D S 2 (100 V /格u DS1i P1i P2u DS2(b 开关管漏源电压及变压器原边电流波形图9 实验波形Fig. 9 Experimental waveforms54 中 国 电 机 工 8 程 学 报 第 30 卷 图 10 为原理样机的效率随输出功率 Po 变化 的关系曲线，从图中可以看到，变换器在整个负载 范围内都具有较高的效率，变换器最高效率达到 95%，10%额定负载时的效率达到 91%，满载效率 为 94.6%。 96 94 92 90 0 石健将，何湘宁，严仰光耦合电感并串型双管正激组合变换 器研究J中国电机工程学报，2004，24(10：157

28、-161 Shi Jianjiang ， He Xiangning ， Yan Yangguang Study on a parallel-series connection of dual two-transistor forward converter modules with output filter coupled-inductorJProceeding of the CSEE，2004，24(10：157-161(in Chinese 9 石健将，严仰光，何湘宁一种具有输入端电容均压的串-并型双 管正激组合变换器研究J中国电机工程学报，2004，24(12： 92-97 Shi J

29、ianjiang ， Yan Yangguang ， He Xiangning A study on series-parallel connection of dual two-transistor forward converter modules with voltage sharing between input-capacitorJProceeding of the CSEE，2004，24(12：92-97(in Chinese /% 300 600 Po/W 900 10 顾亦磊， 顾晓明， 吕征宇， 一种新颖的宽范围双管正激型 DC/DC 等 变换器J中国电机工程学报，2005

30、，25(2：44-48 A Gu Yilei， Xiaoming， Zhengyu， al novel wide range dual Gu Lü et switch forward DC/DC converterJProceeding of the CSEE，2005， 25(2：44-48(in Chinese 11 石健将 双管正激变换器组合研究D 南京： 南京航空航天大学， 2003 Shi JianjiangResearch on combined two-transistor convertersD Nanjing： Nanjing University of Aeron

31、autics and Astronautics， 2003(in Chinese 12 梁小国，危建，阮新波一种新颖的交错并联正激三电平变换器 J中国电机工程学报，2004，24(11：139-143 Liang Xiaoguo， Jian， Wei Ruan Xinbo novel interleaved three-level A forward converterJProceeding of the CSEE，2004，24(11： 139-143(in Chinese 13 Jin T， Zhang K， Zhang K， al new interleaved series input

32、 parallel et A output (ISIPO forward converter with inherent demagnetizing featuresJ IEEE Trans. on Power Electronics， 2008， 23(2： 888-895 14 Landsman E EA unifying derivation of switching dc-dc converter topologiesC/IEEE Power Electronics Specialists Conference ， California，USA，1979 15 Guo Y，Morcos

33、 M M，Lucas M S POn the canonical switching cell for dc-dc convertersC/North American Power Symposium Proceedings，Washington，USA，1993 16 Peng F Z， Tolbert L M， Khan F Power electronics circuit topology the basic switching cellsC/IEEE Power Electronics Educational Workshop，Recife，Brazil，2005 17 Khan F

34、 H， Tolbert L M， Peng F Z Deriving new topologies of DC-DC converters featuring basic switching cellsC/IEEE Workshops on Computers in Power Electronics，Newyork，USA，2006 18 王慧贞，毛赛君一种适用于高压输入的零电压开关双管推挽直 流变压器J中国电机工程学报，2006，26(6：49-53 Wang Huizhen，Mao SaijunA ZVS dual switch push-pull dc/dc transformer f

35、or high input voltage applicationJProceedings of the CSEE，2006，26(6：49-53(in Chinese 图 10 效率与输出功率的关系 Fig. 10 Curve of relationship between efficiency and output power 5 结论 1）提出了正激正单元和正激负单元两种基本 开关单元。 2）提出了正激复合单元，正激复合单元的提 出为构造 ZVS 正激变换器提供了条件。 3）提出了基于上述基本单元串并联的正激变 换器推演的方法，为正激变换器拓扑的系统研究提 供了新的思路。 依据本文所提出的方法推演得到的正激变换 器具有变压器开关管电压应力低、可靠性高、效率 高等优点，适用于中高压输入、中大功率场合。 参考文献 1 Tan F D The forward converter: From the classic to the contemporaryC/Applied Power Electronics Conference，Texas， USA，2002 2 Bha