一種新型帶無損緩沖雙管串聯單正激電路??

摘要：詳細介紹了電路的整個工作過程。給出了重要的定量關系式，為具體設計提供了依據。另外還討論了實際應用中遇到的主要問題和注意事項。

關鍵詞：正激變換器；無損緩沖；諧振

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1??? 引言

??? 雙管串聯單正激電路在高頻大功率變換器中是一種常用的主功率電路，該電路的優點是主功率管耐壓低，成本低。缺點是主變（高頻變壓器）磁芯的磁化方向為單向的，比起橋式電路差一半。該電路一般應用在頻率較高的場合，如果電路中不加無損緩沖電路，那么主功率管的開關損耗將因頻率的升高而大幅增加，因而大大降低了整機的效率。本文將討論一種實用的帶無損緩沖雙管串聯單正激電路的工作過程。

2??? 工作原理

??? 電路如圖1所示。緩沖網絡由6個二極管D₁，D₂，D₃，D₄，D₅和D₆，一個緩沖電感L_S和兩個緩沖電容C₁，C₂組成，其中C₁=C₂=C₀。由于緩沖網絡中不存在電阻，因此該網絡是無損的。圖2給出了帶無損緩沖電路的正激變換器的主要工作波形，C_S1，C_S2是開關管S₁，S₂的結電容，該變壓器原副邊匝比為n=N₁/N₂。

圖 1??? 主 電 路

圖 2??? 主 要 波 形

??? 在一個開關周期T_s中，該變換器有7種工作狀態。在分析之前，作如下假設：所有開關管、二極管均為理想器件；濾波電感L_f足夠大，在一個

??? 開關周期中，其中的電流基本保持不變，這樣L_f和C_f以及負載電阻可以看成一個電流為I_o的恒流源。

??? 1）狀態1[t₀－t₁]??? 在t₀時刻之前，開關管S₁，S₂上的電壓為V_in/2，緩沖電容C₁，C₂上的電壓為0V，緩沖電感L_s中的電流為零。在t₀時刻，開通S₁，S₂，其結電容上的能量C_s全部消耗在S₁，S₂內部，因此，S₁，S₂為硬開通，存在開通損耗，這種損耗是不可避免的。

??? S₁，S₂開通后，變壓器的原邊電壓為輸入電壓V_in，負載電流I_o流經整流二極管D₇。變壓器初級勵磁電流i_M，從I_M－開始線性上升，即

??? i_M(t)=I_M－＋(t－t₀)

式中：L_M為變壓器原邊勵磁電感；

????? I_M－為負向最大勵磁電流。

??? 變壓器原邊電流i_p為折算到原邊的負載電流和勵磁電流之和，即

??? i_p=＋i_M(t)

??? 在這段時間里，V_in經過S₁，C₁，L_s，D₆，C₂與S₂形成回路并諧振工作。緩沖電感L_s中的電流與緩沖電容C₁，C₂上的電壓分別為

??? i_LS(t)=sinω(t－t₀)

??? v_c1=v_c2=v_c(t)=[1－cosω(t－t₀)]

式中：ω=。

??? T_r=2π是緩沖電感與緩沖電容的諧振周期。經過T_r/2，達到t₁時刻，緩沖電感中的電流為零，緩沖電容C₁,C₂上的電壓上升為V_in，此后L_s中的電流反向，緩沖二極管D₆自然關斷。

??? 在實際應用中，由于緩沖電感中的雜散電容的存在，使得緩沖電感內部電流、電壓諧振轉換過程繼續進行，但由于D₅存在，緩沖電感中的殘余能量將由D₅,C₁,Q₁,V_in迅速放掉。

??? 狀態1的持續時間為

??? t_0－1=t₁－t₀=T_r/2

??? 在這段時間里，緩沖電感中的最大電流為I_max=，S₁，S₂流過的電流為折算到原邊的負載電流、勵磁電流和緩沖電感電流之和，如果忽略勵磁電流，那么S₁，S₂的最大電流為

??? I_Qmax=I_O/n＋I_max

??? 2）狀態2[t₁－t₂]??? 在此狀態中，除了緩沖網絡停止工作以外，其他的工作情況與狀態1完全一樣。t₂時刻，S₁，S₂關斷。此時，勵磁電流為

??? i_M(t₂)=I_(M－)＋(t₂－t₀)

式中：t₂－t₀是S₁，S₂在一個開關周期內的導通時間t_on。

??? 3）狀態3[t₂－t₃]??? 在t₂時刻，S₁，S₂關斷，v_s1，v_s2由零開始逐漸上升，主變初級電壓由V_in開始相應下降，整流管D₇仍然導通。由前面的分析知C₁，C₂上充有數值約為V_in的電壓。當v_s2上升時，C₂上的電壓通過D₃向V_in放電，放電的結果使得v_s2的上升速度減慢，因而使S₂關斷過程的損耗下降，起到了緩沖的作用；同理，對于S₁而言，當v_s1上升時，C₁上的電壓通過D₂向V_in放電，使S₁管的開關損耗下降。

??? 定量分析可以證明：S₂的管壓降從零開始上升時，除了C_s2結電容對S₂有緩沖作用外，C₂對S₂的緩沖作用的結果相當于在C_s2上并聯一個C₂電容所產生的緩沖效果，所不同的是如果直接在C_s2上并聯C₂，則在S₂開通時，C₂上的能量將全部消耗在S₂上，而本緩沖電路則為完全無損。定量分析如下。

??? 如圖3（a），設在t=0時，S₂由開通變成關斷，v_s2=0，v_cs1=0，主變初級電流變化規律為i(t)，

則

??? v_cs1=??? (1)

??? 而對于圖3（b），設在t=0時，v_s2=0，v_cs1=0，v_c2=E_c，流向C_s1的電流為i₁(t)，則流向C₂的電流為i(t)－i₁(t)，根據C₂的放電情況，C₂上的電壓為

??? v_c2==E_c－〔i(t)－i₁(t)〕dt??? (2)

??? C_s1上的電壓為

??? v_cs1=??? (3)

??? 從圖3（b）中可以看出，V_cs1=E_c－V_c2

(a)S₂關斷瞬間??? (b)C₂放電

圖3??? 定量分量輔助電路圖

??? 結合式（2）可得

??? v_cs1=E_c－v_c2=〔i(t)－i₁(t)〕dt??? (4)

??? 由式（3）及式（4）可得

??? v_cs1=

由此可以看出C₂的緩沖作用，等價于在C_s1上并聯了一只C₂電容，C₂越大，緩沖效果越好。

??? 在圖2中，t₂－t₃時段主變原邊電流為折算至原邊的負載電流I₀/n和勵磁電流i_M之和，忽略i_M，則有v_s2(t)=I₀(t－t₂)/n(C_s1＋C_s2)。

??? 4）狀態4[t₃－t₄]??? 在t₃時刻，v_s1上升到超過V_in/2，同理可以分析出v_s1也上升到超過V_in/2；此時主變初級電壓開始變為下正上負的極性，D₇承受反壓截止，D₈導通續流。主變初級電流只剩下勵磁電流i_M(t)。

??? 隨著i_M(t)繼續對C_s2充電。加在變壓器原邊繞組的電壓反向逐漸增加。C_s2電壓繼續上升，直到t₄時刻，v_cs2=V_in，同時v_cs1=V_in，v_c1=v_c2=0。

??? 5）狀態5[t₄－t₅]??? 在t₄時刻，箝位二極管D₁，D₄導通，將主變初級電壓箝位在V_in水平，加在原邊繞組的電壓為－V_in，由于勵磁電流的存在，原邊繞組的能量通過D₁,D₄釋放到電源V_in，此時，勵磁電流的減少量為

??? Δi_M=(t－t₄)

??? 6）狀態6[t₅－t₆]??? 在t₅時刻，勵磁電流為零，D₁，D₄關斷，v_c1=v_c2=0。結電容C_s1,C_s2上的電壓通過主變初級電感開始放電，勵磁電流從零開始反方向增加，當結電容電壓下降到V_in/2時，開關狀態6結束。它的持續時間為

??? t_5－6=t₆－t₅=T_M/4??? T_M=2π

??? 此時勵磁電流達到負向最大值為I_M－。

??? 7）狀態7[t₆－t₇]??? 在此狀態下，結電容電壓v_cs1,v_cs2有繼續下降的趨勢，那么原邊繞組電壓將會為正，同樣副邊繞組電壓也變成正，使整流二極管D₇導通，由于原邊電流很小，不足以提供負載電流，因此續流二極管D₈繼續導通。在這段時間里，D₇和D₈同時導通，將副邊繞組箝位在零位，因此原邊繞組電壓也為零。

??? 在t₇時刻，開通S₁，S₂，開始下一個開關周期。

??? 由圖2波形可以看出，當S₁，S₂開通時，E_c通過S₁，C₁，L_s，D₆，C₂，S₂形成諧振回路，使C₁，C₂充電為V_in，這一過程的持續時間為諧振半周期，它必須小于S₁，S₂的最大開通時間并留有足夠的余量。流過L_s的最大諧振電流I_p=，這個電流將流經S₁，S₂，如果L_s選得過小或C₀選得過大，則過大的I_p將會造成主功率管的附加損耗增大。所以在選取L_s，C₀過程中，要求轉換時間，比主功率管的最大開通時間小，以及對主功率管的電流附加值不大，在這一原則下，選取最大的C₀和最小的L_s，以獲得最佳的緩沖效果和最低的成本。

3??? 結語

??? 上述電源電路是一種實用的高效率變換電路，要使它正常工作必須考慮以下因素：

??? 1）主電路開關周期特別是主功率管的最大開通時間必須遠大于緩沖電路轉換時間；

??? 2）緩沖電感必須足夠大，使流過其中的峰值電流遠小于開關管工作電流，以減輕開關管的附加損耗；

??? 3）適當選取緩沖電容容量，綜合平衡緩沖電路轉換時間，緩沖電感中的峰值電流以及緩沖效果之間的矛盾關系。