一种双变压器串联谐振软开关推挽电路

○研究与开发www.365powernet.com 电源技术 电源技术 ＜ 2008年7月73 ■＜浙江大学 张 辉 邓 嘉 马 皓 1 引 言 推挽拓扑在升压电路中得到了广泛应用。在两级结构 的纯正弦波输出车载逆变电源中，该DC/DC变换器用来作前 一级的升压电路。利用串联谐振软开关技术［1-2］，该升压电 路具有开关管开关损耗小，效率高等优点，但由于输入电压 低，输出电压高，故变压器的损耗会较大。 针对12V输入、360V输出的具体DC/DC变换器，提出一 种双变压器软开关推挽电路，两个推挽变换器的变压器次级 串联，以实现串联谐振软开关，并与单变压器电路作比较分 析。最后按照产品设计要求，分别研制了一台双变压器和一 台单变压器的变换器，并对该结构进行了验证。 2 双变压器串联谐振软开关电路 2.1 主电路构成及工作原理 图1所示的软开关推挽电路中MOSFET开关管和整流二极 管均工作在零电压开通和零电流关断条件下，不仅效率高，并 且电路的重量轻，体积小，成本低，输出电压纹波小［3-5］。 应用于纯正弦波输出车载逆变电源中的推挽电路需要将 12V蓄电池电压升压到逆变电路所需的360V中间直流母线电 压。考虑到蓄电池电压的波动，为使变换器在10V的输入电 压下正常工作，变压器次级绕组和初级绕组的匝数比较大。 这将导致出现变压器初、次级耦合不够紧密，损耗增大等问 题，最终造成效率下降。 为提高变换器效率，在上述电路基础上，提出一种双变 压器串联谐振软开关电路拓扑，两个推挽变换器的变压器次 级串联，并且实现串联谐振软开关，如图2所示。该变换器 包括4个MOSFET开关管VT11，VT12，VT21，VT22、两个变压 器、串联谐振电路、输出整流器、输出滤波电容Co和负载RLo 旁路电容C11，C12，C21，C22利用MOSFET开关管漏源极间的 寄生电容，串联谐振电感L利用变压器次级的漏感。选择串联 电路的谐振频率为电路工作的开关频率。 由于C0较大，故输出电压可看作近似恒定；谐振电路损 耗忽略不计。令谐振电感电流iL和谐振电容电压uc的初始值分 别为iL0和uC0，则iL和uc应满足： 一种双变压器串联谐振软开关推挽电路 摘要：针对输出电压与输入电压之比较高的推挽变换器，提出一种双变压器串联谐振软开关推 挽电路，以提高其效率。两个推挽变换器的变压器次级串联，并且实现串联谐振软开关。给出了其 电路构成及工作原理，推导分析了该电路的工作过程。在此基础上，对该电路与单变压器串联谐振 软开关推挽电路作了比较研究。最后研制了12V输入、360V输出、200W功率的DC／DC变换器。通 过实验证明，该电路具有较高的效率。 关键词：变压器；串联；谐振／推挽电路；软开关 图1 单变压器串联谐振软开关推挽电路原理图 电源技术 ＜ 2008年7月74 ○研究与开发 www.365powernet.com电源技术 电路达到稳态后，开关管导通时L-C串联谐振电路的压 降为零。令开关管从to时刻开始导通，则在导通阶段，式(2)和 式(3)可简化为： 由上述分析可得图3所示的电路理想工作波形。其中iml， im2分别为两个变压器的激磁电流。 (1)阶段1［t0，t1］ VT11，VT21在零电压条件下导通， VTl2，VT22关断,通过L，C谐振，当流过VT11，VT21的电流谐 振到零时，VTl1，VT21实现零电流关断。 (2)阶段2［t1，t2］VT11，VT21，VT12，VT22都关断，通过 变压器剩余的激磁电流，使C11，C21充电至2Uin，同时C12,C22 上的电压放电到零。 (3)阶段3［t2，t3］VT12，VT22在零电压条件下导通， VT11，VT21关断，通过L，C谐振，当流过VT12，VT22的电流 谐振到零时，VT12,VT22实现零电流关断。 (4)阶段4［t3，t4］VT11，VT21，VTl2，VT22都关断，通过 变压器剩余的激磁电流，使C12，C22充电至2Uin，同时C11,C21 上的电压放电到零。 可见，阶段2和4的时间由开关管漏源极间的寄生电容 和变压器激磁电流决定，在t2或t4时刻后开通VT12，VT22或 VT11，VT21即可实现零电压开通。 2.2双变压器电路与单变压器电路的比较分析 可见,双变压器电路用次级串联的两个变压器取代了单 个变压器。其初级的两个独立的推挽主电路分别连接输入电 源，并采用相同时序的控制信号。该电路利用两个变压器次 级漏感之和作为串联谐振电感，无需额外的电感，保持了单 变压器电路的优点。此外，其优点还有：①变压器匝比减为 原先单个变压器时的一半，在输入电压一定时，次级电压减 为原先的一半，次级串联后得到的电压等于原先的电压。由 于匝比减小，较好解决了初、次级的耦合问题，减小了损 耗。②输出功率一定时，流过开关管和变压器初级的电流都 减半。因此，单个开关管的导通损耗和单个变压器的初级铜 耗将减为原先的1/4，全部开关管的导通损耗和全部变压器的 初级铜耗也将减为原先的一半，有效提高了效率。 根据实际情况设计变压器时应注意：①要尽量保证变压 器的次级漏感应小，以确保品质因数在一定范围内，从而使 电路工作过程中谐振元件不用承受太大的电压；②两个变压 器参数保持一致，使它们传递同样的功率，防止因功率不同 出现的过热现象。 3 实验验证 根据理论分析，采用串联谐振软开关技术及双变压器电 路结构，研制了一台双变压器和一台单变压器的12V输入、 360V输出、200W的DC/DC变换器。 3.1 软开关的实验验证 图4示出输入电流和MOSFET开关管VT11，VT21的漏源极 间电压波形，其输出功率为122.9W。由图可见，开关管基本 实现了低电压开通、零电流关断。 图5示出不同输出功率Po下MOSFET开关管开关时的电压 电流波形比较。由图可见，从轻载到满载，开关管基本保持 低电压开通、零电流关断。 （下转57页） 图2 双变压器串联谐振软开关推挽电路原理图 图3 双变压器软开关电路理想工作波形 图4 双变压器串联谐振软开关推挽电路实验结果