諧振復(fù)位雙開關(guān)正激變換器的研究

摘要：推薦了一種諧振復(fù)位雙開關(guān)正激型DC/DC變換器。它不僅克服了諧振復(fù)位單開關(guān)正激變換器開關(guān)電壓應(yīng)力大和變換效率低的缺點(diǎn)，而且具有占空比可以大于50％的優(yōu)點(diǎn)。因此，該變換器可以應(yīng)用于高輸入電壓、寬變化范圍、高效率要求的場合。對該拓?fù)涞墓ぷ髟砗吞匦赃M(jìn)行了詳細(xì)的描述。最后通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)了該拓?fù)涞纳鲜鰞?yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：諧振復(fù)位;雙開關(guān);正激變換器

1 概述

諧振復(fù)位單開關(guān)正激變換器，如圖1所示，是一種結(jié)構(gòu)比較簡單、應(yīng)用十分廣泛的DC/DC變換器。它通過諧振電容C_r上的電壓對變壓器進(jìn)行復(fù)位，該復(fù)位電壓可以大于輸入電壓，因此，該變換器的占空比可以大于50％，適合于寬輸入范圍的場合。但和通常的單開關(guān)正激變換器一樣，它的開關(guān)電壓應(yīng)力比較大，是輸入電壓的2倍左右，用于較高輸入電壓的場合有一定的困難。另外，每次開關(guān)S開通之前，C_r上電壓為輸入電壓，在S開通時(shí)，不僅將S的寄生電容上的能量C_ossV_in²/2消耗在開關(guān)上，同時(shí)也將C_r上的能量C_rV_in²/2消耗在S上。而C_r又是外并的諧振電容，其值可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于開關(guān)的寄生電容，所以，可以認(rèn)為該變換器的等效開關(guān)損耗大大增加，效率將會(huì)受到嚴(yán)重影響。

圖1 諧振復(fù)位單開關(guān)正激變換器

Fig.1 Resonant reset single switch forward converter

雙開關(guān)正激變換器克服了主開關(guān)電壓應(yīng)力大的缺點(diǎn)，它每個(gè)開關(guān)的電壓應(yīng)力等于輸入電壓，是單開關(guān)正激的一半左右，適用于高壓輸入場合。而且雙開關(guān)正激變換器是利用輸入電壓給變壓器進(jìn)行復(fù)位，結(jié)構(gòu)上也比較簡單，激磁能量和漏感能量回饋到輸入側(cè)，轉(zhuǎn)換效率比較高。因此，這種雙開關(guān)正激DC/DC拓?fù)浔粡V泛地應(yīng)用于工業(yè)界，不僅僅是高壓輸入場合。但是，這種雙開關(guān)正激變換器有它的突出缺點(diǎn)，即只能工作在占空比小于50％的狀態(tài)，所以，不適合用在變換范圍非常寬的場合。

本文推薦了一種諧振復(fù)位雙開關(guān)正激變換器，它綜合了單開關(guān)諧振正激和雙開關(guān)正激的優(yōu)點(diǎn)，不僅可以工作在占空比大于50％的狀態(tài)，而且又采用雙開關(guān)結(jié)構(gòu)，大大減小了開關(guān)的電壓應(yīng)力。因此，該變換器適用于高電壓輸入、寬變化范圍的場合。

2 工作原理

諧振復(fù)位雙開關(guān)正激變換器的電路如圖2所示。圖2中C_oss1，C_oss2，C_oss3分別為開關(guān)S₁，S₂，S₃的寄生輸出電容，C_r為諧振電容，它并聯(lián)在S₂的漏源極之間，因C_r遠(yuǎn)大于開關(guān)管的寄生電容，所以C_oss2可以忽略。L_m為激磁電感。為簡化分析，輸出電容C_o被認(rèn)為無窮大而以恒壓源V_o代替，并假定電路已經(jīng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)。

圖2 諧振復(fù)位雙開關(guān)正激變換器

Fig.2 Resonant reset dual switch forward converter

該變換器的一個(gè)開關(guān)周期可以分為6個(gè)工作階段，分別如圖3的6個(gè)等效電路所示。相應(yīng)的工作波形如圖4所示，其中t₁－t₃為死區(qū)時(shí)間t_d1，t₅－t₆為死區(qū)時(shí)間t_d2，這些時(shí)間實(shí)際上非常短，在圖中為了更清楚地表述，將他們畫得比較大。6個(gè)工作階段的工作原理分別描述如下。

1）階段1〔t₀，t₁〕 如圖3（a）和圖4所示，該階段S₁和S₂同時(shí)導(dǎo)通，加在變壓器原邊上的電壓為輸入電壓V_in，激磁電流線性上升。同時(shí)副邊整流二極管D_R1導(dǎo)通，續(xù)流二極管D_R2截止，電感L上的電流i_L線性上升。

2）階段2〔t₁，t₂〕 t₁時(shí)刻，如圖3(b)和圖4所示，S₁和S₂同時(shí)關(guān)斷，折算到原邊的負(fù)載電流和激磁電流一起對C_oss1充電，使C_oss3放電，C_oss3上的電壓v_ds3迅速下降。由于諧振電容C_r較大，在這么短的時(shí)間內(nèi)C_r上的電壓幾乎沒有上升，近似為零。因此v_T就近似等于v_ds3，也迅速下降。但此階段變壓器上的電壓v_T仍為正，所以副邊D_R1仍導(dǎo)通。

3）階段3〔t₂，t₃〕 t₂時(shí)刻v_T下降到零時(shí)，副邊二極管D_R1就截止，D_R2導(dǎo)通，i_L通過D_R2續(xù)流，在輸出電壓V_o的作用下線性下降。在原邊，激磁電感L_m和諧振電容C_r諧振，在C_r上產(chǎn)生的諧振電壓按正弦變化上升，該諧振電壓同時(shí)對變壓器進(jìn)行復(fù)位，諧振電流流過S₃的體二極管，如圖3(c)和圖4所示。

4）階段4〔t₃，t₄〕 t₃時(shí)刻，S₃的門極驅(qū)動(dòng)信號v_gs3變高，S₃在零電壓條件下開通，L_m和C_r繼續(xù)諧振，C_r上的正弦諧振電壓繼續(xù)對變壓器進(jìn)行復(fù)位，諧振電流流過S₃，如圖3(d)和圖4所示。

5）階段5〔t₄，t₅〕 如圖3(e)和圖4所示，C_r上的電壓諧振到零后，激磁電流就流經(jīng)S₂的體二極管，而S₃仍然導(dǎo)通，這時(shí)變壓器原邊的電壓為零，激磁電流保持不變。副邊仍然是D_R1截止，D_R2導(dǎo)通，電感電流繼續(xù)下降。

6）階段6〔t₅，t₆〕 如圖3(f)和圖4所示，S₃在t₅時(shí)刻關(guān)斷，激磁電流對C_oss3進(jìn)行充電，v_ds3一大于零，副邊整流二極管D_R1就導(dǎo)通，激磁電流流向變壓器副邊，但它不足以維持負(fù)載電流，所以續(xù)流二極管仍然導(dǎo)通。由于D_R1及D_R2都導(dǎo)通，變壓器上的電壓被箝在零，激磁電流保持不變。而開關(guān)S₁上的電壓被箝在V_in，S₂上的電壓則為零。

(a)Stagel[t₀,t₁] (b)Stage2[t₁,t₂] (c)Stage3[t₂,t₃]

(d)Stage4[t₃,t₄] (e)Stage5[t₄,t₅] (f)Stage6[t₅,t₆]

圖3 各階段等效電路

圖4 主要工作波形