一种双管隔离型变换器的分析与设计.docx

1、一种双管隔离型变换器的分析与设计王翠红'，刘金华，杨庆凤'(1.金陵科技学院机电工程学院，江苏南京211169；2.金陵科技学院后勤管理处，江苏南京211169)摘要：针对传统双管正激变换器存在的滤波单元体积大、整流二极管反向恢复和电压振荡问题，提出-种新型的双管变换电路。该变换器输出滤波电路只保留1个电容滤波，-方面减少了磁性元件的使用，使得滤波电路的功率密度提高；另一方面解决了整流一极管的寄生振荡、反向恢复的问题。同时，分析了该变换器在理想情况下的工作原理和特性。最后，根据所提出的双管密奂器，在实验室，I制作了1台200W的原理样机，实验结果证明了理论分析的正确性。关键词：

2、双管DC/DC变换器：寄生振荡：反向恢复；功率密度中图分类号：TM46文献标识码：ADOI：10.l9457/j.l00l-2095.dqcdl8655AnalysisandDesignofaDual-switchIsolatedConverterWANGCuihong1,LIUJinhua2,YANGQingfeng'(1.SchoolofElectricalEngineering,JinUngInstituteofTechnology,Nanjing211169Jiangsu,China:2.LogisticsManagementDeixirtnieni,JinlingInstil

3、tileofTechnology,Nanjing211169.Jiangsu.China)Abstract:Thetraditionaldualswitchforwardconverterhasaverylargefiltercircuit,anditsoutputrectifierdiodehastheproblemofreverserecoveryandvoltageoscillation.Therefore,anoveldualswitchDC/DCconverterwasproposedwithonlyonecapacitorastheoutputfilter,whichthenumb

4、erofmagneticelementswasreducedandpowerdensitywasimproved.Besides,theproblemsofparasiticoscillationandreverserecoveryoftherectifierdiodeweresolved,thedetailedanalysisofthedualswitchconverter'soperatingprincipleandcharacteristicswereanalyzed.Finally,accordingtotheproposedconverter,aprototyperateda

5、t200Wwasestablishedinthelab,andtheexperimentalresultsverifythecorrectnessoftheanalysis.Keywords:dualswitchDC/DCconverter；parasiticoscillation；revenserecovery：powerdensity双管正激变换器利用二极管进行磁复位，电路结构简单、开关管应力低、变换效率高，尤其没有直通隐患而具备高可靠性，在高输入电压以及中小功率场合获得了广泛应用响。但是传统双管正激类变换器存在输出整流二极管反向恢复、电压振荡等缺点，而且由于滤波单元采用大电感与电容结合的

6、电路，使得变换器的体积普遍较大，占用空间大，功率密度降低。为解决上述矛盾，本文提出了1种新型双管变换器，输出滤波电路只保留1个电容滤波，一方双管正激变换器利用二极管进行磁复位，电路结构简单、开关管应力低、变换效率高，尤其没有直通隐患而具备高可靠性，在高输入电压以及中小功率场合获得了广泛应用响。但是传统双管正激类变换器存在输出整流二极管反向恢复、电压振荡等缺点，而且由于滤波单元采用大电感与电容结合的电路，使得变换器的体积普遍较大，占用空间大，功率密度降低。为解决上述矛盾，本文提出了1种新型双管变换器，输出滤波电路只保留1个电容滤波，一方面减少了磁性元件的使用，使得滤波电路的体积减小；另一方面解决

7、了整流二极管的寄生振荡、反向恢复的问题。同时，本文对提出的变换器进行了原理分析和实验验证。1变换器拓扑推导图1为传统双管正激变换器，通常应用在高压输入、低压输出的场合国。由于输出低压，输出电流大，因此输出整流二极管D,存在严重的反向恢复以及电压振荡问题。基金项目：江苏省商校品牌专业建设工程资助项目(TAPP)；江苏省商校后勤协会能源管理专业委员会专项课题(JSSNZH2016213)作占简介：王翠红（I984-）,女，硕七.剿纲iEmail：wangch图I传统双管正激变换器Eig.lTraditionaldual-switchforwardconverter3)gQ辑(b)gQ辑图2为整流二

8、极管谐振拓扑等效模型。图2a为考虑整流二极管结电容的电路等效模型，从等效模型可以看出由于滤波电感的存在，输出可等效为电流源，在整流二极管换流期间，存在谐振电感与二极管结电容的谐振模态，是导致电压振荡的原因。如果输出为电压源而不是电流源，那么该电压源可对二极管电压起到钳位作用，从本质上消除寄生振荡，如图2b所示。(a)(b)图2整流二极管谐振拓扑等效模型Fig.2Resonantequivalentmodelofrectifierdiodeinthetopology实际上双管变换器存在谐振电感和输出滤波电感2个电感，考虑到输出需等效为电压源以起到钳位作用，可以省去输出滤波电感，仅利用谐振电感或变

9、压器漏感同时起到谐振电感和滤波电感的双重功能。此时，输出整流二极管电压被钳位在输出电压，避免了寄生振荡问题旦实现了ZCS,大幅降低了整流管的损耗。双管变换器拓扑推衍过程如图3所示。图3a为双管正激变换器，可以利用变压器漏感实现谐振电感和滤波的功能复用，可省去输出滤波电感。从图3b可看出，副边续流二极管与输出滤波电容并联，始终处于截止状态，可进一步省去续流.极管,所得到的电路如图3c所示。与传统双管正激变换器相比，该电路具有更简洁的电路拓扑，元器件数量与双管反激变换器相等，但工作方式与双管正激变换器相似。变换器在开关管导通期间，原边向副边直接传递能量，不同于反激拓扑在开关管导通期间变压器储能，关

10、断期间变压器向副边释放储能的间接能量传递模式。因此，该拓扑结合了正激拓扑能量直接传递方式与反激拓扑电路简洁的优势。图3双管变换器拓扑推衍Fig.3Thederivationofdual-switchforwardconvenertopology2变换器原理分析图4为提出的新型双管变换器拓扑，包括开关管QnQ：（D,D：分别为其体二极管），变压器T,（L,”为变压器励磁电感,和、分别为原边和副边的匝数），原边复位二极管D“D“电感L,（可由变压器漏感提供），副边二极管D”滤波电容C。以及负载电阻R。通过控制开关Q,Q?的通断，改变变换器的匚作状态。当Q”Q?开通时，电源能量传递给负载，变压器被正

11、向磁化；当Q,Q：关断时，变压器通过二极管D“D,进行磁复位。设输入电压为Um，输出电压为U“o图4一种新型双管变换器拓扑Fig.4Topologyofthenewdual-switchconverter2.1理想情况下变换器的I：作模态分析理想情况下，不考虑开关管、二极管的寄生参数，开关管Q,Q,的开关速度也完全一致。图5为双管变换器的主要工作波形。各模态的等效电路如图6所示。图5双管变换器的主要工作波形Fig.5Mainoperatingwavefonnsofthedual-switchconverter图6双管变换器的各模态等效电路Fig.6Eachmodalequivalentcirc

12、uitofthedual-switchconverter二极管D,导通，此时变压器励磁电感L.上电压被钳位在+如UJ%因此该过程中L“,恒压充电。根据电感Ln伏秒平衡关系，可求得4时刻变压器激/.时刻，Q,Q,关断，此模态结束。该模态的导通时间为A=DT、式中：7；为开关周期：。为占空比。2)模态2D,/J:工作模态如图6b所示。九时刻，Q”Q,硬关断，"，流经二极管D”D“此时,加在原边桥臂之间，七开始下降。根据电感L,L“,伏秒平衡关系，可求得W寸刻L为-U-Ui(/)=(/-/)+/(/)(4)L,2£215Ui(r)=-a-t)(5)在此阶段，4,始终大于励磁电流&

13、lt;,所以变压器原边始终有电流正向流过，副边二极管d继续导通。弓时刻,七下降至与上的值相等,此模态结束。该模态的导通时间为(6)其中°二+七匕L,伊E)U*1D妇"。3)模态36用：电路工作模态如图6c所(7)(D+1)模态1RfJ：工作模态如图6a所示。在。时刻，开关管Q,Q,开通，谐振电感电流4值为零，即(七)=0。七时刻之后，+匕,加在原边桥臂两E之可，L开始增加，电1能量传递给负载，变压器被正向磁化。根据电感L伏秒平衡关系，可求得4时刻变压器原边电流为U-鱼U示。右时刻，由于七等于J，变压器原副边脱开，L“,不再被钳位，变压器进行磁复位。此时，S加在原边桥臂之间，

14、"与"一起卜降。副边由输rr»出电容为负载供电。右时刻，"，与二均下降至0,此模态结束。该模态的导通时间为上"其中D)n(DD)2如1m元仄4)模态4/：电路工作模态如图6d所34变压器原边极性为上正下负，则变压器副边示。变压器原边没有电流流过，副边输出电容继(2续给负载供电，直到开关管Q,Q：开通，该模态结束，开始下1个周期的工作。当该变换器的占空比。0.5时，变压器还未磁复位结束，开关管巳经开通开始下I个周期的工作，导致磁饱和.因此该变换器工作在。0.5或者0=0.5的情况下。当。0.5时，变换器工作模态如上所示；当0=0.5时，人时刻，妃

15、与L刚好下降至0,开始下1个周期的工作。2.2变换器的特性分析2.2.1开关管的选择当Q.Q?开通时，开关管两端电压为0,流过开美曾嵌等刊1感电流"W，Q：美断时，变压器通过二极管D“D,进行磁复位，开关管两端电压为，流过开关管电流为0。因此，开关管电压应力为Ug开关管电流有效值如下式所示：，心Q='|»呻-0j=戚15Lt752.2.2二极管的选择副边二极管D,两端电压为输出电压(/,与变压器副边电压U,的差值。变压器原、副边电压以以的比值即为原、副边匝比小,，比值，而变压器原边电压有+以,0,-以3种电平。因此，二极管两端电压应力为UMg二极管的通态平均电流即为

16、输出电流农2.2.3增益特性根据流过副边二极管D,电流，输出电流/。与变压器原边电流的关系，分别列出下式：=(9)2«/(=/(/)-/(，)(10)D,l元W联立式(9)、式(10),得出变换器增益表达式为G=S=-L+MN'+jL+MN，2|淅(11)u祐2NLr2NL,L,N=pM=D2TR=DR其中汇*T变换器额定工作状况为：开关频率Z=10()kHz,谐振电感。=50pH,变压器匝比N=3,负载陟25。根据增益表达式，可绘制出人，L,N和R变化时的增益曲线，分别如图7a图7d所示。由图7所示增益特性曲线可以看出，在其它42参数不发生变化时，变换器增益随着开美频率h、

17、电感L,的增大而减小，随负载R的增大而增大，与变压器匝HJV非线性相关。DD(c)(dl图7双管变换溶的增益特性曲线Fig.7Gaincharacteristiccurvesofthedual-switchconverter3实验分析为了验证理论分析的正确性，对图4所示的变换器进行了开环实验验证。实验条件为：输入电压S=200V,输出慎口=48V,工作频率f=100kHz。图8为200V输入条件下双管变换器的实验波形。(年>ocd.sn垣A&W.S鱼>0角>/7?(琶AociArs.-J网4格)(b)垣<0一<7am0。->>/?/gs(4格)

18、/ps(4gx/tt)(d)图8双管变换器在输入电压为200V时的实装波形hig.8Experimentalwaveformsofthedual-switchconverteratinputvoltage2(X)V图8a为2个MOS管的驱动信号U,%以及对应的MOS管的漏源电压,的波形。显然，从图8a中可见，2个MOS管在开通期间两端电压为0,美断期间两端电压为理想情况下分析的200V,即由于开关管存在结电容，关断后MOS管两端电压在结电容完全放电之后下降到0。图8b为驱动信号以及桥臂之间“，,，两点之间的电压Ue的波形。从图8b中可见，勿在开通期间两端电压为200V,即S，关断期间两端电压为

19、-200V,艮卜CU图8c为驱动信号心,，电感电流"，以及变压器副边二极管D,电流h的波形，与理论分析一致。图8d为变压器副边二极管D,两端电压以及流过电流板的波形。从图8d中可以看出，由于存在二极管结电容，二极管在反向充电至114V,艮阳。+几/必时，正向电流降至0。二极管的反向恢复性能得到改善。为了充分显示该双管隔离型变换器的特点，将500W的双管隔离型变换器与传统双管正激变换器的实验结果进行比较，如表1所示。从表1中可以明显发现，传统双管正激变换器的整流二极管电压应力远高于双管隔离型变换器，解决r整流二极管的寄生振荡、反向恢复的问题。并且双管隔离型变换器不需要续流二极管，降低了

20、电路成本。表12种变换器的对比Tab.lComparisonof(wokindsofconverters开关管原边二极管整流二极管续流二极管电压电流电压电流电压电流电压电流应力/应力/应力/应力/应力/应力/应力/应力/VAVAVAVA双管隔离型变换器2()05.32(K)3.7511010无无传统双管正激变换器2(X)4.352000.183003.31506.74结论本文在传统双管正激变换器的基础上，提出了一种新型双管变换器，并对该变换器进行了详细的原理分析和特性分析。实验结果证明了该电路减少了磁性元件的使用，提高了变换器的功率密度，并旦改善了整流二极管的寄生振荡、反向恢复的问题。参考文献1 ChenShin-Ju.YangSung-Pei