推挽變換器在軟開關(guān)與硬開關(guān)工作模式下的比較探討

1、推挽變換器器在軟開開關(guān)與硬硬開關(guān)工工作模式式下的比比較研究究 馬小林，馬馬皓 (浙江大學(xué)學(xué)，浙江江 杭州州 31100227） 摘要：對(duì)于于工作在在軟開關(guān)關(guān)和硬開開關(guān)兩種種模式下下的推挽挽結(jié)構(gòu)的的DC/DC變變換器作作了比較較研究，分分析了它它們各自自的優(yōu)缺缺點(diǎn)，并并從工程程應(yīng)用角角度出發(fā)發(fā)，研制制了一臺(tái)臺(tái)3000W的DDC/DDC變換換器。 關(guān)鍵詞：推推挽變換換器；串串聯(lián)諧振振；軟開開關(guān)；硬硬開關(guān) 1 引言 在在DC/DC升升壓式電電路中，通通常采用用的拓?fù)鋼浣Y(jié)構(gòu)有有Booost、BBuckkBooostt和推挽挽三種。而而當(dāng)輸入入電壓比比較低（如如單節(jié)蓄蓄電池供供電時(shí)僅僅12VV），功功率

2、不太太大的情情況下，一一般優(yōu)先先采用推推挽結(jié)構(gòu)構(gòu)。 硬硬開關(guān)在在推挽電電路中應(yīng)應(yīng)用已比比較成熟熟，本文文先針對(duì)對(duì)硬開關(guān)關(guān)技術(shù)，分分析其在在工程應(yīng)應(yīng)用中存存在的弊弊端，進(jìn)進(jìn)而引入入軟開關(guān)關(guān)技術(shù)2,33,4，并作作一比較較分析。最最后，按按照產(chǎn)品品設(shè)計(jì)要要求，研研制了一一臺(tái)3000WDDC/DDC變換換器。結(jié)結(jié)果表明明，運(yùn)用用這種拓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)構(gòu)設(shè)計(jì)的的升壓變變換器具具有諸多多優(yōu)點(diǎn)。 2 硬開關(guān)關(guān)電路 2.1 工工作原理理 圖圖1為推推挽式硬硬開關(guān)電電路的工工作原理理圖11。它它有3種種工作模模式： 圖1 硬開開關(guān)電路路原理圖圖 模模式1 Q1導(dǎo)通，QQ2截止，原原邊電流流流經(jīng)QQ1，同時(shí)時(shí)變壓器器副

3、邊電電流通過過D1和D4向負(fù)載載供電； 模模式2 Q2導(dǎo)通，QQ1截止，原原邊電流流流經(jīng)QQ2，同時(shí)時(shí)變壓器器副邊電電流通過過D3和D2向負(fù)載載供電； 模模式3 Q1和Q2都截止止，原邊邊不向副副邊傳輸輸能量，則則負(fù)載的的能量來來自副邊邊的濾波波電感LL和濾波波電容C。 2.2 分分析 圖圖2和圖圖3是變變換器工工作時(shí)功功率管兩兩端的電電壓波形形。由于于電感的的原因，功功率管導(dǎo)導(dǎo)通電壓壓降呈鋸鋸齒波形形，見圖圖3中的的vdsoon。 圖2 功率率管工作作波形 圖3 功率率管導(dǎo)通通電壓降降 變變換器工工作條件件如下： VVi=122V，VVo=2000V，Io=1.5A； ffs=500kHzz

4、，L=2000HH，R1=R2=100/22W， CC1=C2=0.01F，功功率管為為BUZZ1000SL。 測(cè)測(cè)得整機(jī)機(jī)效率僅僅為744，且且功率管管發(fā)熱比比較嚴(yán)重重。通過過改變吸吸收電路路參數(shù)，并并聯(lián)功率率管，調(diào)調(diào)節(jié)輸出出濾波參參數(shù)顯示示，并聯(lián)聯(lián)功率管管和適當(dāng)當(dāng)增加LL值可以以明顯提提高整機(jī)機(jī)的效率率（見表表1）。具具體分析析如下： 11）增大大吸收電電容，可可以降低低功率管管關(guān)斷時(shí)時(shí)的沖擊擊電壓，減減小功率率管的關(guān)關(guān)斷損耗耗，但通通過吸收收電容轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)移過來來的能量量必須由由吸收電電路中的的功率電電阻在一一個(gè)開關(guān)關(guān)周期內(nèi)內(nèi)給消耗耗掉，故故整機(jī)效效率還是是沒有提提高，只只是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)了功耗耗的轉(zhuǎn)

5、移移。 22）并聯(lián)聯(lián)功率管管時(shí)，開開關(guān)導(dǎo)通通電阻減減小，在在導(dǎo)通電電流不變變的情況況下，開開關(guān)的導(dǎo)導(dǎo)通損耗耗下降，整整機(jī)效率率得以提提高； 33）增大大輸出濾濾波電感感時(shí)，折折算到原原邊的電電感也隨隨之增大大，由LL=Vi可知，此此時(shí)流經(jīng)經(jīng)功率管管電流的的變化率率降低，電電流的峰峰值下降降，則開開關(guān)的導(dǎo)導(dǎo)通損耗耗也隨之之下降。但但當(dāng)電感感增大到到一定值值時(shí)，由由于電感感自身損損耗的增增加大于于開關(guān)導(dǎo)導(dǎo)通損耗耗的減小小，則整整機(jī)效率率反而下下降。 表1 硬開開關(guān)時(shí)效效率隨參參數(shù)變化化情況 電感L/H 100 200 400 500 效率/ 單管 72 74 82 80 并管 75 78 88 8

6、4 電電感的增增加，帶帶來變換換器的體體積和成成本的增增大。如如何在不不增加變變換器的的體積和和成本的的基礎(chǔ)上上提高效效率？因因此將串串聯(lián)諧振振軟開關(guān)關(guān)技術(shù)引引入到推推挽變換換器中2,33,4。 3 軟開關(guān)關(guān)電路 3.1 工工作原理理 圖圖4為軟軟開關(guān)電電路的原原理圖，圖圖5是理理想工作作波形。它它有4種種工作模模式： 圖4 軟開開關(guān)電路路原理圖圖 圖5 理想想工作波波形 模模式1 0,t1Q1在零電電壓下導(dǎo)導(dǎo)通，通通過Lr、Cr諧振，當(dāng)當(dāng)流經(jīng)QQ1的電流流諧振到到零時(shí)，QQ1實(shí)現(xiàn)零零電流關(guān)關(guān)斷； 模模式2 t1,t2Q1關(guān)斷而而Q2還未導(dǎo)導(dǎo)通時(shí)，通通過變壓壓器剩余余的激磁磁電流，使使Cs1充

7、電電至2VVi、同時(shí)時(shí)Cs2上的的電壓放放電到零零； 模模式3 t2,t3Q2在零電電壓下導(dǎo)導(dǎo)通，通通過Lr、Cr的諧振振，當(dāng)流流經(jīng)Q22的電流流諧振到到零時(shí)，QQ2實(shí)現(xiàn)零零電流關(guān)關(guān)斷； 模模式4 t3,t4Q2關(guān)斷而而Q1還未導(dǎo)導(dǎo)通，通通過變壓器器剩余的的激磁電電流，使使Cs2充電電至2VVi、同時(shí)時(shí)Cs1上的的電壓放放電到零零。 3.2 實(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果果 11）元器器件及參參數(shù) 在在硬開關(guān)關(guān)實(shí)驗(yàn)裝裝置的基基礎(chǔ)上，調(diào)調(diào)整部分分元器件件及參數(shù)數(shù)。 （11）變壓壓器 磁磁芯仍用用EE555，變變比由22：2：50改改為2：2：442；副副邊漏感感為500H。 （22）諧振振電容 22fs= CCr=

8、（1） 式中：fss=500kHzz為變換換器的工工作頻率率； Lr=500H為為變壓器器的漏感感，即諧諧振電感感； Cr為諧振振電容，由由式（11）可得得電容為為0.22F。 （33）吸收收及濾波波參數(shù) 去去掉吸收收電路元元件R1、C1、R2、C2及濾波波電感LL。 （44）功率率管 采采用BUUZ1000SLL雙管并并聯(lián)工作作。 22）分析析 圖圖688為變換換器工作作在軟開開關(guān)模式式下的波波形。其其中圖66是仿真真波形，圖圖7和圖圖8是實(shí)實(shí)驗(yàn)波形形。由于于功率管管是在零零電壓下下開通和和零電流流下關(guān)斷斷，功率率管的電電壓應(yīng)力力（圖77）相對(duì)對(duì)于硬開開關(guān)時(shí)（圖圖2）要要小。由由于功率率管是

9、在在零電流流下開關(guān)關(guān)，故變變壓器副副邊側(cè)的的整流二二極管也也工作于于軟開關(guān)關(guān)下，所所以變換換器效率率能得到到很大程程度的提提高，經(jīng)經(jīng)測(cè)試，最最高可達(dá)達(dá)92.5。 圖6 功率率管電壓壓波形 圖7 功率率管工作作電壓波波形 圖8 諧振振電流波波形 4 比較分分析 為為進(jìn)一步步揭示軟軟開關(guān)工工作的優(yōu)優(yōu)勢(shì)，在在同樣的的工作前前提條件件下，對(duì)對(duì)兩種工工作模式式作一實(shí)實(shí)驗(yàn)比較較分析。 4.1 工工作前提提條件 輸輸入/輸輸出電壓壓 112V/2000V 輸輸出電流流 1.55A 變變換器的的工作頻頻率 550kHHz 功功率管(雙管并并聯(lián)) BUZZ1000SL2 4.2 元元件比較較 由由于變壓壓器原副

10、副邊的匝匝比降低低，所以以工作于于軟開關(guān)關(guān)模式下下的變壓壓器可采采用EEE50磁磁芯和骨骨架。 表表2列出出了兩種種電路采采用的不不同元件件。 表2 硬開開關(guān)與軟軟開關(guān)兩兩種電路路所需元元件比較較 開關(guān)類型 變壓器磁芯芯和骨架架 輸出濾波電電感 輸出濾波電電容 諧振電容 吸收電路 硬開關(guān) EE55 360HH 220FF/2550V 不需要 R=10/2WW C=0.001FF/500V 軟開關(guān) EE50 不需要 3.3FF/2550V 0.2FF/2550V 不需要 4.3 主主要性能能比較 主主要性能能比較參參見表33。 表3 硬開開關(guān)與軟軟開關(guān)兩兩種電路路主要性性能比較較 開關(guān)類型 最高效率 功率管電壓壓應(yīng)力 輸出電壓紋紋波 EMI 硬開關(guān) 88 3Vi 1.5 一般 軟開關(guān) 92.5 2Vi 0.5 較小 4.4 效效率比較較 從從圖9中中可看出出，推挽挽變換器器在軟開開關(guān)模式式下工作作效率比比起硬開開關(guān)模式式要高。但但其效率率隨輸出出功率的的變化而而變化。 圖9 變換換器的效效率 5 結(jié)語 根根據(jù)以上上的理論論分析及及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)驗(yàn)證可知知，采用用串聯(lián)諧諧振軟開開關(guān)技術(shù)