雙端DCM模式反激變換器變壓器變比研究

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(三峽大學電氣與新能源學院，湖北 宜昌 443002)

1 引言

反激式變換器在功率較小的場合有著廣泛的應用。與正激式直流變換器相比，它有諸多優點，例如：不需要輸出濾波電感、電路拓撲簡單、適合多組輸出、可以在輸出電感電流不連續模式(DCM)下穩定工作等[1]。因此，在小功率多組輸出場合使用反激式變換器，可以有效減小變換器體積，降低經濟成本。

但是，傳統單端反激變換器在開關管關斷時，除了承受直流出入電壓以外，還要承受變壓器副邊折算到原邊的電壓以及漏感尖峰，這大大增加了開關管的電壓應力，因此限制了變換器在高電壓場合的應用。雙端DCM反激變換器使用兩個箝位二極管，將開關管的關斷電壓箝位于直流輸入電壓，拓展了反激式變換器在高電壓場合的應用。然而，雙端反激變換器的漏感效應使變換器的效率下降，也限制了變壓器的變比[2]。本文將詳細分析雙端反激變換器的工作原理，提出確定DCM模式下最大效率變壓器變比的方法。

2 雙端反激變換器

2.1 工作原理

雙端反激變換器的拓撲如圖1所示。它使用兩個開關管，兩個箝位二極管，變壓器原邊等效成一個勵磁電感和一個漏感的串聯。開關管S1和S2同時開通同時關斷。

當開關管導通時，原邊二極管和副邊二極管同時截止，負載電壓由電容維持，變壓器原邊電感電流開始線性上升[3]。開關管關斷時刻，原邊電流達到峰值:

其中，Lm和L1分別為變壓器原邊繞組的勵磁電感和漏感，DC為開關管的占空比。

圖1 雙端反激變換器拓撲結構

2.2 雙端反激變換器的漏感效應

開關管S1和S2的關斷時的電路如圖2所示。在關斷瞬間，勵磁電感Lm和漏感L1中流過相同的電流,該電流經二極管D1和D2流向直流電源。假設此時勵磁電感Lm和漏感L1上的電壓分別為Um和U1，忽略二極管導通壓降，有：

U1=Udc-Um

由該式可見，提供給負載的電流有一個上升的過程，并且在漏感一定時，U1越大，電流上升的越快。

圖2 雙端反激變換器的漏感效應

2.3 雙端反激變換器輸入電壓與輸出電壓的關系

雙端反激變換器的輸出電壓與開關管占空比和變壓器變比密切相關。下面分析兩者之間的關系：

關斷瞬間等效電路如圖3所示，I1和Im分別為漏感和勵磁電感中的電流，關斷瞬間

I1=Im=IP

原邊和副邊的電流關系如圖4所示。假設漏感電流在t2時刻下降到零，即：

此時副邊輸出電流達到最大值：

t3時刻，勵磁電感電流下降到零，即：

整個周期副邊電流平均值為：

則副邊平均電壓為：

U0=I0avR

關斷時刻的勵磁電感電壓Um和漏感電壓U1也和U0相關，如果進一步展開，將得到關于U0的三次方程，通過計算機輔助求解，可以得到精確的輸出電壓表達式，但是該算式相當復雜，給計算和設計帶來不便。而且在變換器的實際設計中，通常輸入電壓和輸出電壓的幅值范圍都是已知的，因此不必解出輸出電壓。

3 DCM模式下最大效率變壓器變比推導

3.1 變壓器變比與傳輸效率分析

由以上分析可知，在雙端反激變換器中，隔離變壓器的變比對傳輸效率有明顯的影響。變比過大時，副邊電流上升緩慢，傳輸效率下降；雖然通過降低變比，可以提高效率，但是變比過小會使電路進入連續工作模式(CCM)，這有可能使變換器失去控制。

圖3 關斷瞬間等效電路

圖4 原邊電流與副邊電流的關系

如果將平均電流轉換為關于K的函數：

對K求導:

f′(K)<0

可見，隨著變比K的增大，副邊平均電流逐漸減小。

3.2 變壓器變比與變換器工作模式

由3.1的分析，如果變壓器變比取得足夠小，漏感的影響可以忽略不計。但是變比過小會使電路進入連續工作模式，為DCM模式設計的控制電路將失去對變換器的控制。

為使變換器安全工作，要留一定的時間裕度，一般取開關周期的20%作為死區時間[3]，設開關管關斷后，副邊整流二極管導通的時間為Tr，則有

DCTS+Tr≤0.8TS

如果輸出電壓已知，可以由該式聯合第1節中分析得出的輸出電壓表達式確定合適的開關管占空比和變壓器變比。

4 仿真結果分析

為了檢驗上述分析是否準確，使用MATLAB進行了仿真實驗。主電路參數如下：輸入電源為240V直流電源，開關管為MOSFET，開關頻率為50kHz，負載電阻10Ω，變壓器原邊勵磁電感80μH，漏感為4μH，輸出電壓40V。變比為4、2、1時漏感電流和副邊電流的波形分別如圖5(a)、5(b)、5(c)所示。

圖5 漏感電流和副邊電流波形

可以看出，當變比為4時，副邊電流上升緩慢，但是下降的很快，變換器的傳輸效率不高，死區時間很長；當變比降低到2時，副邊電流上升斜率有所增長，同時下降變慢，死區時間變短；當進一步降低變比到1時，變換器已經進入連續工作模式。

5 結論

變壓器的變比設計對于雙端DCM反激變換器來說至關重要。變壓器變比同時受變換器轉換效率和DCM工作模式的約束。變壓器變比越大，轉換效率越

低；變壓器變比越小，轉換效率越高，但是死區時間變短，安全工作受到影響。找到效率和安全的平衡點，是雙端DCM反激變換器變壓器變比設計的關鍵。

[1] Abraham I.Pressman.Switching Power Supply Design[M].New York:McGraw-Hill,1998.

[2] 韓明武,劉兆元,馬吉志.雙端反激式變換器漏感效應的研究[J].電子器件,2008,31(3):963-965.

[3] 王志強,等譯.開關電源設計[M].北京,電子工業出版社,2006.

[4] 張占松,蔡宣三.開關電源的原理與設計[M].北京,電子工業出版社,2004.