推挽变换器在软开关与硬开关工作模式下的比较研究

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1    引言

    在DC/DC升压式电路中,通常采用的拓扑结构有Boost、BuckBoost和推挽三种。而当输入电压比较低(如单节蓄电池供电时仅12V),功率不太大的情况下,一般优先采用推挽结构。

    硬开关在推挽电路中应用已比较成熟,本文先针对硬开关技术,分析其在工程应用中存在的弊端,进而引入软开关技术[2,3,4],并作一比较分析。最后,按照产品设计要求,研制了一台300WDC/DC变换器。结果表明,运用这种拓扑结构设计的升压变换器具有诸多优点。

2    硬开关电路

2.1    工作原理

    图1为推挽式硬开关电路的工作原理图[1]。它有3种工作模式:

图1    硬开关电路原理图

    模式1    Q1导通,Q2截止,原边电流流经Q1,同时变压器副边电流通过D1和D4向负载供电;

    模式2    Q2导通,Q1截止,原边电流流经Q2,同时变压器副边电流通过D3和D2向负载供电;

    模式3    Q1和Q2都截止,原边不向副边传输能量,则负载的能量来自副边的滤波电感L和滤波电容C

2.2    分析

    图2和图3是变换器工作时功率管两端的电压波形。由于电感的原因,功率管导通电压降呈锯齿波形,见图3中的vdson

图2    功率管工作波形

图3    功率管导通电压降

    变换器工作条件如下:

    Vi=12V,Vo=200V,Io=1.5A;

    fs=50kHz,L=200μH,R1=R2=10Ω/2W,

    C1=C2=0.01μF,功率管为BUZ100SL。

    测得整机效率仅为74%,且功率管发热比较严重。通过改变吸收电路参数,并联功率管,调节输出滤波参数显示,并联功率管和适当增加L值可以明显提高整机的效率(见表1)。具体分析如下:

    1)增大吸收电容,可以降低功率管关断时的冲击电压,减小功率管的关断损耗,但通过吸收电容转移过来的能量必须由吸收电路中的功率电阻在一个开关周期内给消耗掉,故整机效率还是没有提高,只是实现了功耗的转移。

    2)并联功率管时,开关导通电阻减小,在导通电流不变的情况下,开关的导通损耗下降,整机效率得以提高;

    3)增大输出滤波电感时,折算到原边的电感也随之增大,由L=Vi可知,此时流经功率管电流的变化率降低,电流的峰值下降,则开关的导通损耗也随之下降。但当电感增大到一定值时,由于电感自身损耗的增加大于开关导通损耗的减小,则整机效率反而下降。

表1    硬开关时效率随参数变化情况

电感L/μH 100 200 400 500
效率/% 单管 72 74 82 80
并管 75 78 88 84

    电感的增加,带来变换器的体积和成本的增大。如何在不增加变换器的体积和成本的基础上提高效率?因此将串联谐振软开关技术引入到推挽变换器中[2,3,4]