双正激变换器软开关拓扑的分析与评价

摘要：双正激变换器广泛应用于中、大功率场合,为了提高变换器的功率密度和效率,必须提高开关频率并减少开关损耗,这就要求开关管工作在软开关方式。本文系统的分析了双正激变换器软开关拓扑的主要工作原理、优缺点和应用场合，并选取一种新型的双正激软开关组合变换器拓扑作为高压直流输入航空静止变流器的DC/DC级拓扑，成功研制了一台4KW的原理样机，并给出了实验结果。 叙词：双正激变换器；组合变换器；软开关 Abstract：The dual-switch forward converter is widely adopted in medium to high power applications. To achieve high power density and high efficiency, switching frequency must be greatly increased, and meanwhile, switching losses must be reduced. As a result, soft-switching techniques must be adopted. This paper presents a detailed review of these techniques. The main operation principles、merits、limitations and applications of these soft-switching topologies are analyzed. Based on the analysis and evaluation, a novel dual-switch forward combined converter is taken as the DC/DC converter for high voltage dc input Aeronautic Static Inverter. A 4KW prototype is successfully developed, and the experimental results are also included in this paper. Keyword：Dual-switch forward converter；Combined converter；Soft-switching

1. 引言

　　双正激变换器克服了正激变换器中开关电压应力高的缺点，每个开关管只需承受输入直流电压，不需要采用特殊的磁复位电路就可以保证变压器的可靠磁复位。它的每一个桥臂都是由一个二极管与一个开关管串联组成，不存在桥臂直通的危险，可靠性高。因此双正激变换器具有其它变换器无法比拟的优点，成为目前中大功率变换器中应用最多的拓扑之一。双正激组合变换器通过对双正激变换器进行并、串组合，可以克服其占空比只能小于0.5的缺点，提高变压器的利用率和变换器的等效占空比，适合应用于高输入和输出电压的大功率场合[1,2] 。

　　现代电源的发展方向是高频化、小型化、模块化、智能化，实现变换器的高功率密度、高效率和高可靠性。提高开关频率，减小磁性元件的体积和重量是提高变换器功率密度的有效措施。但是在硬开关状态下工作的变换器，随着开关频率的上升，一方面开关器件的开关损耗会成正比地增大，无源元件的损耗大幅度增加,效率大大降低；另一方面，过高的dv/dt和di/dt会产生严重的电磁干扰(EMI),影响变换器的可靠性。为了改善高频变换器开关的工作条件,减小开关损耗和电磁干扰,各种软开关技术应用而生，包括无源软开关技术与ZVS/ZCS谐振、准谐振、ZVS/ZCS-PWM、ZVT/ZCT-PWM等有源软开关技术。

　　近年来国内外广大学者对双正激及其组合变换器的软开关技术进行了大量的研究。软开关拓扑大体上可分为三类，即应用无源辅助电路的无源软开关拓扑；应用有源辅助电路的有源软开关拓扑；不需辅助电路的软开关拓扑。本文系统地分析了这三类软开关拓扑，指出各种拓扑的特点和适用场合，给出简单的分析和评价，并选择了一种新型的ZVS双正激组合变换器，作为高压直流输入航空静止变流器DC/DC级拓扑，成功研制了一台4KW的双正激组合变换器，满载时效率高达95.51%。

2. 应用无源辅助电路的无源软开关拓扑

2.1　原边箝位型ZVZCS双正激变换器

　　文献[3]提出了一种原边箝位型ZVZCS双正激变换器如图1所示。原边箝位电路由辅助电感Lr和两个箝位二极管D3、D4组成。

图1 原边箝位型ZVZCS双正激变换器