多组变压器在低压大电流开关电源中应用的研究

摘要：本文介绍了一种低压大电流开关电源采用的变压器结构，并与传统的一组变压器结构进行了比较。以12V/1000A移相全桥ZVS开关电源的PSPICE仿真验证了这种结构的优点。

叙词：ZVS;移相全桥;PSPICE仿真

Abstract：A structure of the transformers with the primaries in series and the secondaries in parallel used in power supply of low voltage and high current is introduced in this paper, and compared with the structure of one transformer. Its merits of this structure are explored by PSPICE simulation of 12V/1000A power supply of shifting phase full bridge ZVS.

Keyword：ZVS;shifting phase full bridge;PSPICE simulation

1　引 言

随着半导体技术、微电子技术以及逆变技术的高频化、智能化、模块化发展极大地推动了开关电源的发展。

对于低压大电流开关电源，次级输出一般采用全波整流方式。由于受到单个整流二极管容量的限制，常采用一组变压器，多组副边，如图1 (a)所示，或者一组副边多只整流二极管并联的结构，如图1 (b)所示。

(a) 多组副边　　　　　(b)一组副边

图1 一组变压器

(a)多组副边　　　　　　　(b) 一组副边

图2　一组变压器等效电路

图1所示电路，在原副边能量传递期间，变压器可以等效为电压源，而副边线路上的阻抗可以等效为电压源内阻。由于电压源内阻相整流二极管等效电阻较小，可忽略不计。设原副边完全耦合，因此其等效电路可简化为如图2所示。显然，图1这两种结构等效电路相同，都属于整流二极管并联均流的问题。由于整流二极管正的电流温度系数，而在实际应用过程中，很难保证器件的一致性，因此会使流经整流二极管的电流不相同，严重时会因负担过重而损坏。

二极管并联使用，为了达到均流的目的,可以采用串入电阻方式并联，如图3(a)所示;或采用串入动态均流互感器并联等方法，如图3(b)所示。

由于邻近效应及趋肤效应的影响,对于串入电阻的并联方式,二极管的均流效果随输出电流的大小而改变,均流效果较差。且对于低压大电流，为了减小串入电阻上的损耗，其阻值不宜较大，这会降低均流效果。

对于串入动态均流互感器的并联方式,可以达到较好的均流效果,但大电流互感器的制作工艺复杂,成本高, 同时由于动态均流互感器的漏感及引线电感的存在,使得二极管在关断时的反向尖峰电压增高,电磁干扰及损耗随之增加。

(a) 串电阻并联　　(b) 串动态均流互感器并联

图3 二极管均流方式

2　理论分析

本文采用的多组变压器原边串联副边并联的结构，如图4(a)所示，可以克服以上的缺点，通过变压器实现副边均流。

(a)原边串联副边并联

(b) 等效电路

图4 多组变压器

设原副边完全耦合，不计磁芯损耗及铜耗，忽略变压器原副边线路阻抗，在原副边能量传递期间，其等效电路可简化为如图4(b)所示。可以得到以下关系式

其中E01 ,E02•••为原边感应电势，E，E2•••为副边边感应电势，U1、U2•••为副边绕组上电压，UD1、UD2•••为副边整流二极管上压降，U为经过整流二极管后的直流电压，I1、I2•••为副边绕组上电流。把(1-1)、(1-2)代入(1-3)、(1-4)得到

由(1-6′)可以看出，副边是均流的，因此流过输出整流二极管的电流相同,实现自动均流。由(1-3′)和(1-4′)可以看出, 虽然整流二极管的特性不同，但可以通过调整各组变压器原边的电压来实现副边均流。多个变压器的这种连接方式可以使得变压器的设计模块化,简化变压器的制作工艺。

在整流二极管换流期间，由于变压器原副边短路，因此E01 ,E02•••，E，E2•••为零，变压器不起作用。此时副边所有整流二极管均同时导通，换流之前导通的整流二极管电流逐渐减小为零，未导通的整流二极管电流逐渐增加为最大值，换流过程中，副边电流变化曲线与整流二极管的特性有关。

3　仿真分析

下面以12V/1000A电镀电源为例进行这种结构的PSPICE仿真分析。主电路采用移相全桥ZVS(Zero Voltage Switching)软开关的形式，开关频率20kHz，副边为全波整流，使用了三组变压器，每组匝比8：1，变压器原边串联副边并联，输出整流二极管使用耐压为80V，电流为400A的肖特基二极管。仿真主电路如图5所示。[p]

图5 仿真主电路原理图

改变肖特基二极管的特性曲线，建立不同的模型。通过仿真可以得到各组变压器原边电压的仿真波形，如图6所示;流经D1、D3、D5电流波形，如图7所示。

(a) 三组变压器原边电压波形

(b)　A处电压放大图

图6 三组变压器原边电压波形

由图6可以看出，在原副边能量传递期间，其各组变压器原边电压是不同的，而在换流期间其原边电压为零。

图7　D1、D3、D5电流波形

由图7可以看出，在原副边能量传递期间，变压器副边输出电流是相同的;而在换流期间变压器副边输出电流是不相同的，流经副边各肖特基二极管的电流小于原副边能量传递时通过的电流。

由以上仿真可知，在原副边能量传递期间，由于肖特基二极管的特性的不同，而导致各组变压器原边的电压的不相同;但变压器副边输出电流相同的，与肖特基二极管的特性无关。

在换流期间，由于变压器原副边短路，忽略变压器原副边线路阻抗，因此原边电压为零;此时变压器对副边电流的平衡不起作用，副边输出电流因肖特基二极管的特性的差异而不相同。虽然，在此期间副边电流可能不相同，但由于副边所有肖特基二极管同时导通，共同分担电流，电流小于能量传递时通过的电流。

4　结 论

通过使用多组变压器原边串联副边并联的结构，可以避免由于肖特基二极管正的电流温度系数而导致的并联不均流的问题，通过变压器实现副边的自动均流。在低压大电流开关电源中有较广泛的应用，可以使得变压器的设计模块化,简化变压器的制作工艺。

参考文献:

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[2] 卢家林,苏彦民. 一种新型的大功率高性能逆变电源控制方案[J ]。电工电能新技术, 2002 ,21(1) :73277.

[3] 姜桂宾, 裴云庆, 刘海涛, 王兆安 12VP5000A 大功率软开关电源的设计电工电能新技术 第22卷 第1期 2003 年1