推挽變換器在軟開關與硬開關工作模式下的比較

摘要：對于工作在軟開關和硬開關兩種模式下的推挽結構的DC/DC變換器作了比較研究，分析了它們各自的優缺點，并從工程應用角度出發，研制了一臺300W的DC/DC變換器。

關鍵詞：推挽變換器；串聯諧振；軟開關；硬開關

1 引言

在DC/DC升壓式電路中，通常采用的拓撲結構有Boost、Buck?Boost和推挽三種。而當輸入電壓比較低（如單節蓄電池供電時僅12V），功率不太大的情況下，一般優先采用推挽結構。

硬開關在推挽電路中應用已比較成熟，本文先針對硬開關技術，分析其在工程應用中存在的弊端，進而引入軟開關技術^[2,3,4]，并作一比較分析。最后，按照產品設計要求，研制了一臺300WDC/DC變換器。結果表明，運用這種拓撲結構設計的升壓變換器具有諸多優點。

2 硬開關電路

2.1 工作原理

圖1為推挽式硬開關電路的工作原理圖^[1]。它有3種工作模式：

圖1 硬開關電路原理圖

模式1 Q₁導通，Q₂截止，原邊電流流經Q₁，同時變壓器副邊電流通過D₁和D₄向負載供電；

模式2 Q₂導通，Q₁截止，原邊電流流經Q₂，同時變壓器副邊電流通過D₃和D₂向負載供電；

模式3 Q₁和Q₂都截止，原邊不向副邊傳輸能量，則負載的能量來自副邊的濾波電感L和濾波電容C。

2.2 分析

圖2和圖3是變換器工作時功率管兩端的電壓波形。由于電感的原因，功率管導通電壓降呈鋸齒波形，見圖3中的v_dson。

圖2 功率管工作波形

圖3 功率管導通電壓降

變換器工作條件如下：

V_i=12V，V_o=200V，I_o=1.5A；

f_s=50kHz，L=200μH，R₁=R₂=10Ω/2W，

C₁=C₂=0.01μF，功率管為BUZ100SL。

測得整機效率僅為74％，且功率管發熱比較嚴重。通過改變吸收電路參數，并聯功率管，調節輸出濾波參數顯示，并聯功率管和適當增加L值可以明顯提高整機的效率（見表1）。具體分析如下：

1）增大吸收電容，可以降低功率管關斷時的沖擊電壓，減小功率管的關斷損耗，但通過吸收電容轉移過來的能量必須由吸收電路中的功率電阻在一個開關周期內給消耗掉，故整機效率還是沒有提高，只是實現了功耗的轉移。

2）并聯功率管時，開關導通電阻減小，在導通電流不變的情況下，開關的導通損耗下降，整機效率得以提高；

3）增大輸出濾波電感時，折算到原邊的電感也隨之增大，由L=V_i可知，此時流經功率管電流的變化率降低，電流的峰值下降，則開關的導通損耗也隨之下降。但當電感增大到一定值時，由于電感自身損耗的增加大于開關導通損耗的減小，則整機效率反而下降。

表1 硬開關時效率隨參數變化情況

3 軟開關電路

3.1 工作原理

圖4為軟開關電路的原理圖，圖5是理想工作波形。它有4種工作模式：

圖4 軟開關電路原理圖

圖5 理想工作波形

模式1 [0,t₁]Q₁在零電壓下導通，通過L_r、C_r諧振，當流經Q₁的電流諧振到零時，Q₁實現零電流關斷；

模式2 [t₁,t₂]Q₁關斷而Q₂還未導通時，通過變壓器剩余的激磁電流，使C_s1充電至2V_i、同時C_s2上的電壓放電到零；

模式3 [t₂,t₃]Q₂在零電壓下導通，通過L_r、C_r的諧振，當流經Q₂的電流諧振到零時，Q₂實現零電流關斷；

模式4 [t₃,t₄]Q₂關斷而Q₁還未導通，通過變壓器剩余的激磁電流，使C_s2充電至2V_i、同時C_s1上的電壓放電到零。

3.2 實驗結果

1）元器件及參數

在硬開關實驗裝置的基礎上，調整部分元器件及參數。

（1）變壓器

磁芯仍用EE55，變比由2：2：50改為2：2：42；副邊漏感為50μH。

（2）諧振電容

2πf_s=

C_r=（1）

式中：f_s=50kHz為變換器的工作頻率；

L_r=50μH為變壓器的漏感，即諧振電感；

C_r為諧振電容，由式（1）可得電容為0.2μF。

（3）吸收及濾波參數

去掉吸收電路元件R₁、C₁、R₂、C₂及濾波電感L。

（4）功率管

采用BUZ100SL雙管并聯工作。

2）分析

圖6～8為變換器工作在軟開關模式下的波形。其中圖6是仿真波形，圖7和圖8是實驗波形。由于功率管是在零電壓下開通和零電流下關斷，功率管的電壓應力（圖7）相對于硬開關時（圖2）要小。由于功率管是在零電流下開關，故變壓器副邊側的整流二極管也工作于軟開關下，所以變換器效率能得到很大程度的提高，經測試，最高可達92.5％。

圖6 功率管電壓波形

圖7 功率管工作電壓波形

圖8 諧振電流波形

4 比較分析

為進一步揭示軟開關工作的優勢，在同樣的工作前提條件下，對兩種工作模式作一實驗比較分析。

4.1 工作前提條件

輸入/輸出電壓 12V/200V

輸出電流 1.5A

變換器的工作頻率 50kHz

功率管(雙管并聯) BUZ100SL×2

4.2 元件比較

由于變壓器原副邊的匝比降低，所以工作于軟開關模式下的變壓器可采用EE50磁芯和骨架。

表2列出了兩種電路采用的不同元件。

表2 硬開關與軟開關兩種電路所需元件比較

主要性能比較參見表3。

表3 硬開關與軟開關兩種電路主要性能比較

4.4 效率比較

從圖9中可看出，推挽變換器在軟開關模式下工作效率比起硬開關模式要高。但其效率隨輸出功率的變化而變化。

圖9 變換器的效率

5 結語

根據以上的理論分析及實驗驗證可知，采用串聯諧振軟開關技術設計的DC/DC變換器與采用硬開關技術設計的變換器相比，具有效率高，重量輕，體積小，成本低，輸出電壓紋波小等優點。