倍流整流器电路拓扑研究

1 引言

近年来，随着开关电源技术的进展，一种新型的适合于推挽及桥式功率变换器的倍流整流器副边整流拓扑电路结构脱颖而出，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 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。图1和图2中的(b)电路与(a)电路实质一样，但从(b)电路形式中更能看出倍流整流器拓扑是由传统桥式整流电路演变而来：将桥式整流电路中一个桥臂的两个二极管用两个电感（图1、2（b）中的 L1、L2）取代，即可获得倍流整流器电路。因为桥式整流电路有两个相同的二极管桥臂，所以就有两种等效的倍流整流器电路形式（图1和图2）。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中的T）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。


倍流整流器的具体工作波形参照图3中的符号，在图4中画出。在图4波形中，可以注意到，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率；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，且此续流电流不通过副边绕组。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 工作条件

倍流整流器正常工作条件为：

①无效整流纯电感回路的工作抑制条件：

L>>1/ω2C（L为L1或L2 ；ω为开关频率f的2π倍，即 ω=2πf）

② 图4的波形中要保证L1及L 2中的电流始终为正值，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；要保证两个滤波电感中的电流均等变化。

4 优缺点

4.1 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。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。而全波整流虽然二极管用得少，但副边绕组需要中心抽头，制作复杂。

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。图1适合于共阳二极管接法，图2适合于共阴二极管接法；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；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；而且滤波电感仅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。

4.2 缺点

①需要两个输出电感（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波电感中的电流均等；
③在副边侧，存在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正常工作条件。

5 PSpice仿真验证

图7所示为共阳极二极管接法的拓扑电路仿真电路图；图8，9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U 2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具有很大的参考价值。


对应于图8和图9的电感和电容参数如表1 (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，并且它们两者之和刚好等于负载电流。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，这一点将大大影响变压器的设计。而当不满足参数条件时（图9），电感电流出现了负值，也就是说出现了两电感电流贯通的情况，并且电流值很大，所以不能提供完全的负载电流，输出电压极为不稳定。