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    推挽變換器在軟開關(guān)與硬開關(guān)工作模式下的比較

    作者: 時間:2011-05-23 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

    摘要:對于工作在軟開關(guān)和硬開關(guān)兩種模式下的推挽結(jié)構(gòu)的DC/DC變換器作了比較研究,分析了它們各自的優(yōu)缺點,并從工程應(yīng)用角度出發(fā),研制了一臺300W的DC/DC變換器。

    關(guān)鍵詞:推挽變換器;串聯(lián)諧振;軟開關(guān);硬開關(guān)

     

    1 引言

    在DC/DC升壓式電路中,通常采用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有Boost、Buck?Boost和推挽三種。而當(dāng)輸入電壓比較低(如單節(jié)蓄電池供電時僅12V),功率不太大的情況下,一般優(yōu)先采用推挽結(jié)構(gòu)。

    硬開關(guān)在推挽電路中應(yīng)用已比較成熟,本文先針對硬開關(guān)技術(shù),分析其在工程應(yīng)用中存在的弊端,進(jìn)而引入軟開關(guān)技術(shù)[2,3,4],并作一比較分析。最后,按照產(chǎn)品設(shè)計要求,研制了一臺300WDC/DC變換器。結(jié)果表明,運用這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計的升壓變換器具有諸多優(yōu)點。

    2 硬開關(guān)電路

    2.1 工作原理

    圖1為推挽式硬開關(guān)電路的工作原理圖[1]。它有3種工作模式:

    圖1 硬開關(guān)電路原理圖

    模式1 Q1導(dǎo)通,Q2截止,原邊電流流經(jīng)Q1,同時變壓器副邊電流通過D1和D4向負(fù)載供電;

    模式2 Q2導(dǎo)通,Q1截止,原邊電流流經(jīng)Q2,同時變壓器副邊電流通過D3和D2向負(fù)載供電;

    模式3 Q1和Q2都截止,原邊不向副邊傳輸能量,則負(fù)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(dǎo)通電壓降呈鋸齒波形,見圖3中的vdson

    圖2 功率管工作波形

    圖3 功率管導(dǎo)通電壓降

    變換器工作條件如下:

    Vi=12V,Vo=200V,Io=1.5A;

    fs=50kHz,L=200μH,R1=R2=10Ω/2W,

    C1=C2=0.01μF,功率管為BUZ100SL。

    測得整機(jī)效率僅為74%,且功率管發(fā)熱比較嚴(yán)重。通過改變吸收電路參數(shù),并聯(lián)功率管,調(diào)節(jié)輸出濾波參數(shù)顯示,并聯(lián)功率管和適當(dāng)增加L值可以明顯提高整機(jī)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(guān)斷時的沖擊電壓,減小功率管的關(guān)斷損耗,但通過吸收電容轉(zhuǎn)移過來的能量必須由吸收電路中的功率電阻在一個開關(guān)周期內(nèi)給消耗掉,故整機(jī)效率還是沒有提高,只是實現(xiàn)了功耗的轉(zhuǎn)移。

    2)并聯(lián)功率管時,開關(guān)導(dǎo)通電阻減小,在導(dǎo)通電流不變的情況下,開關(guān)的導(dǎo)通損耗下降,整機(jī)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=Vi可知,此時流經(jīng)功率管電流的變化率降低,電流的峰值下降,則開關(guān)的導(dǎo)通損耗也隨之下降。但當(dāng)電感增大到一定值時,由于電感自身損耗的增加大于開關(guān)導(dǎo)通損耗的減小,則整機(jī)效率反而下降。

    表1 硬開關(guān)時效率隨參數(shù)變化情況

    電感L/μH 100 200 400 500
    效率/% 單管 72 74 82 80
    并管 75 78 88 84
    電感的增加,帶來變換器的體積和成本的增大。如何在不增加變換器的體積和成本的基礎(chǔ)上提高效率?因此將串聯(lián)諧振軟開關(guān)技術(shù)引入到推挽變換器中[2,3,4]。

    3 軟開關(guān)電路

    3.1 工作原理

    圖4為軟開關(guān)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(guān)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(dǎo)通,通過Lr、Cr諧振,當(dāng)流經(jīng)Q1的電流諧振到零時,Q1實現(xiàn)零電流關(guān)斷;

    模式2 [t1,t2]Q1關(guān)斷而Q2還未導(dǎo)通時,通過變壓器剩余的激磁電流,使Cs1充電至2Vi、同時Cs2上的電壓放電到零;

    模式3 [t2,t3]Q2在零電壓下導(dǎo)通,通過Lr、Cr的諧振,當(dāng)流經(jīng)Q2的電流諧振到零時,Q2實現(xiàn)零電流關(guān)斷;

    模式4 [t3,t4]Q2關(guān)斷而Q1還未導(dǎo)通,通過變壓器剩余的激磁電流,使Cs2充電至2Vi、同時Cs1上的電壓放電到零。

    3.2 實驗結(jié)果

    1)元器件及參數(shù)

    在硬開關(guān)實驗裝置的基礎(chǔ)上,調(diào)整部分元器件及參數(shù)。

    (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

    fs=

    Cr=(1)

    式中:fs=50kHz為變換器的工作頻率;

    Lr=50μH為變壓器的漏感,即諧振電感;

    Cr為諧振電容,由式(1)可得電容為0.2μF。

    (3)吸收及濾波參數(shù)

    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(lián)工作。

    2)分析

    圖6~8為變換器工作在軟開關(guān)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(guān)斷,功率管的電壓應(yīng)力(圖7)相對于硬開關(guān)時(圖2)要小。由于功率管是在零電流下開關(guān),故變壓器副邊側(cè)的整流二極管也工作于軟開關(guān)下,所以變換器效率能得到很大程度的提高,經(jīng)測試,最高可達(dá)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(jìn)一步揭示軟開關(guān)工作的優(yōu)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(lián)) 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(guān)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(guān)與軟開關(guān)兩種電路所需元件比較

    開關(guān)類型 變壓器磁芯和骨架 輸出濾波電感 輸出濾波電容 諧振電容 吸收電路
    硬開關(guān) EE55 360μH 220μF/250V 不需要 R=10Ω/2W

    C=0.01μF/50V

    軟開關(guān) EE50 不需要 3.3μF/250V 0.2μF/250V 不需要
    4.3 主要性能比較

    主要性能比較參見表3。

    表3 硬開關(guān)與軟開關(guān)兩種電路主要性能比較

    開關(guān)類型 最高效率 功率管電壓應(yīng)力 輸出電壓紋波 EMI
    硬開關(guān) 88% ≈3Vi 1.5% 一般
    軟開關(guān) 92.5% 2Vi 0.5% 較小

    4.4 效率比較

    從圖9中可看出,推挽變換器在軟開關(guān)模式下工作效率比起硬開關(guān)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(jié)語

    根據(jù)以上的理論分析及實驗驗證可知,采用串聯(lián)諧振軟開關(guān)技術(shù)設(shè)計的DC/DC變換器與采用硬開關(guān)技術(shù)設(shè)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(yōu)點。



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