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组合式双管正激直流变压器研究

作者:时间:2012-03-20来源:网络收藏

1引言

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/230884.htm

随着大功率电力电子元器件的发展,通过电力电子变换技术实现电压变换和能量传递的新型变压器——得到了越来越多的关注。在接近l00%的占空比下工作,输出省去了滤波电感,结构简单;采用开环控制,易于实现软开关,提高功率密度。有些学者将其应用在频率、电压相同或不同的两个或多个交流系统之间,实现隔离和能量传输[1]-[4]。也有学者将其应用在需要隔离而不需要调压的直流应用场合[5]-[8],以提高多级结构的电压调整模块供电系统的效率和功率密度。

本文提出了一种组合式双管正激。该电路利用箝位二极管将开关管的电压应力箝位在输入电压,并利用变压器原边串联电感(包括变压器漏感)和开关管的结电容谐振实现了开关管的(ZVS)。同时,利用输出滤波电容的箝位作用,限制了副边整流二极管的电压尖峰。文中详细分析了变压器的工作原理,并讨论了变压器的输出特性、零电压开通条件。最后在原理样机上进行实验验证。

2电路拓扑与工作原理

组合式双管正激直流变压器主电路拓扑如图1所示,包括输入电源Uin、功率开关管(S1、S2、S3、S4)、两个原边箝位二极管D1和D2、串联电感Lr1和Lr2(包括变压器漏感)、功率变压器T(Np1、Np2、Ns1、Ns2组成)、副边整流电路(D3和D4)和输出滤波电容(Cout)组成。其电路结构有如下特点:(1)由两路原边并联而成,并且两路在原边共用两个箝位二极管D1和D2;(2)变压器T采用磁集成技术,由Np1、Np2、Ns1、Ns2组成;(3)输出不含滤波电感。

图1新型直流变压器原理图

图2主要波形图

为了分析其工作状态,作如下假设:

(1)变换器工作已经达到稳态;

(2)S1、S2、S3和S4由理想开关、寄生二极管和电容构成,容值C1=C2=C3=C4=Cs;Cd3、Cd4分别为D3、D4的寄生电容,且有Cd3=Cd4=Cd;

(3)Lr1、Lr2为变压器原边串联电感,包含变压器两个原边的漏感,且有Lr1=Lr2=Lr;

(4)变压器T满足:Np1=Np2,Ns1=Ns2,且有匝比Np1/Ns1=n。

该直流变压器在半个周期内有五个工作模态,主要波形如图2所示,每个工作模态对应的等效电路如图3所示。

2.1工作模态1[t0,t1]

等效电路如图3(a)所示。在t0时刻以前,S3、S4关断,S1、S2开通,副边整流管D3导通,输入电源通过变压器原边Np1向副边传递能量。t0时刻,开关S1、S2关断,此后,电感Lr1、Lr2与开关寄生电容一起谐振。当S1、S2两端电压上升至Uin,S3、S4两端电压下降为零时,该模态结束。在该模态中,原边电感电流为:

上述四式中,为谐振角频率,为谐振特征阻抗。Ip为原边电流iNp1在t0时刻的值。

2.2工作模态2[t1,t2]

等效电路如图3(b)所示。在t1时刻,开关S3、S4的寄生二极管导通,电感Lr1电流iLr1和电感Lr2电流iLr2在输入电压和副边折算到原边的电压共同作用下,分别线性下降和上升。该模态中,开关两端电压保持不变。在该模态中

2.3工作模态3[t2,t3]

等效电路如图3(b)所示。在t2时刻,开关S3、S4导通,由于开关S3、S4的寄生二极管导通,开关为ZVS开通。电感Lr1电流iLr1和电感Lr2电流iLr2在输入电压和副边折算到原边的电压共同作用下,分别线性下降和上升。当两电感电流相等时,开关S3、S4的寄生二极管截止,相应的副边Ns1电流减小到零,副边整流二极管D3截止,该模态结束。在该模态中,漏感电流分别为:

2.4工作模态4[t3,t4]

等效电路如图3(c)所示。在t3时刻副边整流二极管D3截止,变压器副边电压开始反向。该过程中电感Lr(原边电感Lr1、Lr2折算到副边的电感值)与副边整流二极管的寄生电容谐振工作,Cd4放电、Cd3充电。当副边电压为-Uo时,该模态结束。在该模态中

上述三式中,为谐振角频率,为谐振特征阻抗。Is为副边电流iNs2在t4时刻的值。


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