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组合式双管正激直流变压器研究

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1引言

随着大功率电力电子元器件的发展，通过电力电子变换技术实现电压变换和能量传递的新型变压器——直流变压器得到了越来越多的关注。直流变压器在接近l00％的占空比下工作，输出省去了滤波电感，结构简单；采用开环控制，易于实现软开关，提高功率密度。有些学者将其应用在频率、电压相同或不同的两个或多个交流系统之间，实现隔离和能量传输^[1]-[4]。也有学者将其应用在需要隔离而不需要调压的直流应用场合^[5]-[8]，以提高多级结构的电压调整模块供电系统的效率和功率密度。

本文提出了一种组合式双管正激直流变压器。该电路利用箝位二极管将开关管的电压应力箝位在输入电压，并利用变压器原边串联电感（包括变压器漏感）和开关管的结电容谐振实现了开关管的零电压开关（ZVS）。同时，利用输出滤波电容的箝位作用，限制了副边整流二极管的电压尖峰。文中详细分析了变压器的工作原理，并讨论了变压器的输出特性、零电压开通条件。最后在原理样机上进行实验验证。

2电路拓扑与工作原理

组合式双管正激直流变压器主电路拓扑如图1所示，包括输入电源Uin、功率开关管（S1、S2、S3、S4）、两个原边箝位二极管D1和D2、串联电感Lr1和Lr2（包括变压器漏感）、功率变压器T（Np1、Np2、Ns1、Ns2组成）、副边整流电路（D3和D4）和输出滤波电容（Cout）组成。其电路结构有如下特点：(1)由两路双管正激变换器原边并联而成，并且两路双管正激变换器在原边共用两个箝位二极管D1和D2；(2)变压器T采用磁集成技术，由Np1、Np2、Ns1、Ns2组成；(3)输出不含滤波电感。

图1新型直流变压器原理图

图2主要波形图

为了分析其工作状态，作如下假设：

(1)变换器工作已经达到稳态；

(2)S1、S2、S3和S4由理想开关、寄生二极管和电容构成，容值C1=C2=C3=C4=Cs；Cd3、Cd4分别为D3、D4的寄生电容，且有Cd3=Cd4=Cd；

(3)Lr1、Lr2为变压器原边串联电感，包含变压器两个原边的漏感，且有Lr1=Lr2=Lr；

(4)变压器T满足：Np1=Np2，Ns1=Ns2，且有匝比Np1/Ns1=n。

该直流变压器在半个周期内有五个工作模态，主要波形如图2所示，每个工作模态对应的等效电路如图3所示。

2.1工作模态1[t0，t1]

等效电路如图3(a)所示。在t0时刻以前，S3、S4关断，S1、S2开通，副边整流管D3导通，输入电源通过变压器原边Np1向副边传递能量。t0时刻，开关S1、S2关断，此后，电感Lr1、Lr2与开关寄生电容一起谐振。当S1、S2两端电压上升至Uin，S3、S4两端电压下降为零时，该模态结束。在该模态中，原边电感电流为：

上述四式中，为谐振角频率，为谐振特征阻抗。Ip为原边电流iNp1在t0时刻的值。

2.2工作模态2[t1,t2]

等效电路如图3(b)所示。在t1时刻，开关S3、S4的寄生二极管导通，电感Lr1电流iLr1和电感Lr2电流iLr2在输入电压和副边折算到原边的电压共同作用下，分别线性下降和上升。该模态中，开关两端电压保持不变。在该模态中

2.3工作模态3[t2，t3]

等效电路如图3(b)所示。在t2时刻，开关S3、S4导通，由于开关S3、S4的寄生二极管导通，开关为ZVS开通。电感Lr1电流iLr1和电感Lr2电流iLr2在输入电压和副边折算到原边的电压共同作用下，分别线性下降和上升。当两电感电流相等时，开关S3、S4的寄生二极管截止，相应的副边Ns1电流减小到零，副边整流二极管D3截止，该模态结束。在该模态中，漏感电流分别为：

2.4工作模态4[t3，t4]

等效电路如图3(c)所示。在t3时刻副边整流二极管D3截止，变压器副边电压开始反向。该过程中电感Lr（原边电感Lr1、Lr2折算到副边的电感值）与副边整流二极管的寄生电容谐振工作，Cd4放电、Cd3充电。当副边电压为-Uo时，该模态结束。在该模态中

上述三式中，为谐振角频率，为谐振特征阻抗。Is为副边电流iNs2在t4时刻的值。

[p] 2.5工作模态5[t4，t5]

等效电路如图3(d)所示。在t4时刻，副边整流二极管D4导通，电源Uin通过变压器原边Np2向负载传递能量。同时电感Lr1电流iLr1和电感Lr2电流iLr2在输入电压和副边折算到原边的电压共同作用下，分别线性下降和上升。当开关S3、S4关断时，该模态结束。在该模态中，漏感电流分别为：

从t5时刻开关管S3、S4关断之后，该变压器开始另半个周期工作，其工作过程和前半个周期类似，这里不再赘述。

图3直流变压器各模态等效电路

3输入输出特性

直流变压器采用开环控制，每只开关管在接近0.5的占空比下工作。以S1、S2导通为例，直流变压器在稳态工作时的简化等效电路及副边电流波形，如图4所示。

图4变换器的简化等效电路和副边电流波形

由电路和波形可得：

其中：Io为负载电流，Is为电流iNs2在t4时刻的值，由式（11）可知，输出电压和电感Lr、整流二极管寄生电容等有关。由式（14）可以得知，为了得到较硬的输入输出外特性，必须减少变压器原边电感。

4ZVS条件

根据前面的分析，实现ZVS开通（以开关S3、S4为例）必须满足下面两个条件：

（1）保证开关两端的电压下降到零；（2）开关管在t1-t3时间间隔内导通。

为保证开关管两端电压下降到零，电感Lr在开关管关断时刻(t0时刻)的能量必须足够大。电感Lr电流取决于输出功率、输入电压和输出电压的大小，所以，电感Lr是直流变压器主要设计参数。

4.1电感Lr取值对直流变压器影响

（1）电感越大，越容易在轻载下实现ZVS。

（2）电感越大，输出电压降越大。

由式（11）可知，Lr越大，IS越小；在相同负载条件下，由式（14）可知，输出电压越小。

4.2ZVS开通条件

（1）为保证开关管两端的电压下降到零，由式（4）可知：

结合式（11）和图3(b)，可得：

由式（16）可知，负载越小，为实现ZVS开通所需的电感就越大。

（2）开关管在t1-t3时间间隔内导通，即开关管关断时间Toff必须满足：

结合式（4）、（11）和图3(b)，可得：

5实验结果

实验参数为：Uin=240V-300V，匝比n=11:13，Po=2kW，开关频率f=100kHz，D=0.48。变压器采用双EE55B铁心绕制，MOSFET选用IRF460。原边箝位二极管和副边整流二极管均为DSEI30-06A。图5-图7分别给出了Lr1=Lr2=25μH、Uin=270V、输出电压Uo=180V、Po=2kW时的主要实验波形。

图5ZVS开关波形

图5为开关管S1两端电压和驱动波形。可见开关管开通时，开关管两端电压已经减小到零，实现ZVS开通；在开关管关断时，开关电压慢慢上升，为ZVS关断。

图6满载驱动和副边电压波形

[p] 图6为副边电压波形，由于输出滤波电容的箝位，所以变压器副边和副边整流二极管几乎没有电压尖峰。有利于减少副边整流二极管损耗和采用低电压应力整流二极管。

图7满载驱动和原边电流波形

考虑到电感增加时，将带来直流变压器输出电压下降，因此，应当折衷考虑电感大小。由于该直流变压器由两个双管正激变换器组成，所以不存在桥臂直通，具有很高的可靠性。

图7给出了满载时驱动波形和变压器原边电流波形。

从实验结果可以看出，理论分析和实验是一致的，从而验证理论分析是正确的。

6结论

本文分析一种新型直流变压器，它可以实现隔离和变压，具有如下特点：该拓扑保留了双管正激变换器原边开关管电压应力低、不存在桥臂直通、可靠性高等优点；由两路双管正激变换器简化而来的，其原边共用两个箝位二极管，电路结构简单，而且采用变压器的磁集成技术，进一步减小了体积；由于开关实现了ZVS开通和关断，所以开关损耗小；由于输出滤波电容的箝位作用，副边整流二极管几乎没有电压尖峰。

参考文献

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