低压大电流DC/DC变换器拓扑分析

　　倍流整流结构不是源于Buck 变换器，但也起降压作用。其基本工作原理如图3 所示：当变压器的次级电压V_sec为正时，VD1 关断，电感L1 的电流IL1增大并流经负载，VD2 和变压器次级形成回路，同时电感L2 的电流IL1减小，它流经负载和VD2 形成回路；当变压器次级电压V_sec为负时，其过程也类似；而当变压器的次级电压为零时，则电感L1 和L2的电流分别流经VD1 和VD2 形成回路，即VD1 和VD2 同时导通。因此，虽然其滤波电感频率与其功率主开关的相同，但是由于两个滤波电感的纹波电流互相抵消了一部分（ i11 + i12） ,其输出滤波电容的纹波电流减小了，因此在倍流型结构中所需要的滤波电容比正激式的小得多。

　　由图1b 可以看出，在每个开关周期内正激式结构的整流管的总导通损耗相当于输出滤波电感电流一个周期内流过一个整流管的损耗；在中心抽头或者倍流型结构中，由于双端变换器的变压器次级电压在功率开关管的死区内为零，所以其两个整流管在死区时间内同时导通，两个整流管中流过的电流均为零，如图2b 和图3b 所示，因此，在功率开关管的关断时间内，整流管的总损耗就大大减少了。

　　由图2a 和图3a 的对比可知，中心抽头型和倍流型从元件个数和结构的复杂性都是差不多的，但在大电流的情况下，倍流型次级结构的性能更好。

　　可从以下几点来说明： ①倍流型结构的电感电流和变压器次级的电流只是中心抽头型结构电流的一半，因而其导通损耗比中心抽头的要小； ②倍流结构使大电流的电路相互连接数目最少，这就简化了次级的布线，并因此减少了与布线有关的损耗； ③倍流结构中的变压器和滤波电感可以公用一个磁芯，简化了元件的包装和减小了体积。

　　2. 2. 3 变压器次级3 种结构的优选。

　　从以上分析可知，反激式的初级拓扑和中心抽头型的次级结构相对来说有很多不足。经过优选，适用于低压大电流的降压型初级拓扑有正激式、推挽式和桥式，而在次级整流拓扑中，正激式和倍流式两种更为适用于低压大电流。但是，推挽式和桥式等双端结构的初级拓扑显然不能和正激式的次级拓扑组合；而且，非对称的正激式初级结构虽然可以和倍流整流式的次级结构组合，但效果并不理想。

　　所以，可得出的优选拓扑组合是： ①初级正激式与次级正激式的组合； ②桥式与倍流式的组合； ③推挽式与倍流整流式的组合。即正激式变换器和带中心抽头的桥式变换器以及推挽正激式变换器。

　　3 正激式变换器

　　如图4 所示，正激式变换器的优点主要在于结构简单、次级纹波电流明显衰减，纹波电压低、功率开关管峰值电流较低、并联工作容易、可以自动平衡、属降压型变换器。因此，它是最早应用于低压大电流的变换器。但其缺点也很明显： ①需要一个额外的磁复位电路来避免变压器的磁饱和； ②对变压器的设计要求比较高，要求其漏感小，以减小续流管在关断过程中的损耗； ③同步整流中的死区过大使得其效率减小； ④整流管的体二极管不仅在导通的过程中增加了电路的损耗，而且在关断过程中，由于其反向恢复特征，也会引起能量损耗，这个损耗与反向恢复电荷、频率、次级电压成正比关系。

图4 正激式变换器结构图

　　以上问题有的已经得到很好的解决。正激式变换器在其同步整流的驱动中多采用自驱动方式。比较典型的自驱动方式有3 种电路，如图5 所示。

图5 正激式变换器中同步整流管的3 种自驱动方式

（谐振复位、有源钳位、零电压多谐振变换器）。

　　另外，为了改善整流管的死区问题，混合驱动方式采用了的电荷保持技术，此驱动方式也不失为一种好的驱动方式。

　　在文献[ 4 ]的实验中，采用LCD 复位和电荷保持混合驱动方式的正激式变换器在48V 输入，5V/10A 输出时，最高效率可达92. 3 %.

　　4 带倍流整流的桥式变换器