兩種雙管反激型DC/DC變換器的研究和比較

1 概述

反激型DC/DC變換器因結構簡(jiǎn)單、成本低廉而廣泛應用于各種輔助電源和小功率電源中。但是，單管反激變換器主開(kāi)關(guān)電壓應力大，在輸入電壓較高的場(chǎng)合使用起來(lái)比較困難。另外，反激變換器的變壓器漏感一般比較大，導致主開(kāi)關(guān)上產(chǎn)生很高的電壓尖峰，使電壓應力進(jìn)一步增加。傳統的雙管反激變換器如圖1所示，其兩個(gè)主開(kāi)關(guān)的電壓應力為輸入電壓，克服了單管反激開(kāi)關(guān)電壓應力大的缺點(diǎn)，并且漏感能量可以回饋到輸入側，不需要吸收電路，但它帶來(lái)了占空比D不能大于50％的缺點(diǎn)，在寬范圍場(chǎng)合應用有局限性。本文提出了一種能工作在占空比大于50％條件下的雙管反激變換器，如圖2所示，不過(guò)它和傳統的雙管反激相比也并非十全十美，其漏感能量需要外加緩沖電路來(lái)吸收。本文詳細、客觀(guān)地分析和比較了這兩種雙管反激變換器在工作原理和特性上的差異，闡述了一些獨特的觀(guān)點(diǎn)，并且給出了兩種雙管反激的實(shí)驗結果比較，旨在為電源設計者選用這兩種雙管反激變換器時(shí)提供理論依據和參考數據。

圖1 傳統雙管反激DC/DC變換器

Fig.1 Conventional dual switch flyback DC/DC converter

(a) 結構之一 (b) 結構之二

圖2 改進(jìn)后的雙管反激DC/DC變換器

Fig.2 Improved dual switch flyback DC/DC converter

2 工作原理

為了分析方便，假設各器件具有理想特性，電感、電容足夠大，輸入電壓沒(méi)有脈動(dòng)，電路已經(jīng)進(jìn)入穩態(tài)。

傳統雙管反激變換器在兩個(gè)開(kāi)關(guān)管S₁及S₂導通期間，加在變壓器原邊的電壓為輸入電壓V_in，原邊電流流過(guò)S₁及S₂，并且線(xiàn)性上升。副邊二極管反向偏置，副邊電流為零。當S₁及S₂同時(shí)關(guān)斷后，原邊電流逐漸下降到零。二極管D₁及D₂隨即導通，由于實(shí)際電路中漏感的影響，變壓器原邊上的電壓被鉗在－V_in，副邊二極管因此導通。儲存在原邊漏感中的能量全部反饋到輸入側后，D₁及D₂關(guān)斷，變壓器原邊電壓降至副邊繞組反射電壓－nV_o（n為變壓器原邊對副邊的變比），副邊二極管維持導通，直到下一開(kāi)關(guān)周期開(kāi)始。

改進(jìn)的雙管反激變換器，如圖2（a）及圖2（b）所示，有兩種結構，是為了克服傳統雙管反激變換器占空比不能大于50％的缺點(diǎn)而提出的，因此，稱(chēng)之為寬范圍雙管反激變換器。該變換器與傳統雙管反激結構上的區別在于分別去掉了一個(gè)鉗位二極管，這樣會(huì )有一個(gè)主開(kāi)關(guān)的電壓應力得不到限制，可能造成過(guò)壓，所以，要對兩個(gè)開(kāi)關(guān)的關(guān)斷次序進(jìn)行人為的控制。對于圖2（a），S₂應該比S₁先關(guān)斷；對于圖2（b），S1應該比S2先關(guān)斷。圖2（a）及圖2（b）所示兩種結構的工作原理是類(lèi)同的，下面就僅對圖2（b）的結構進(jìn)行分析。

同樣，在S₁和S₂導通期間，加在變壓器原邊上的電壓為V_in，原邊電流線(xiàn)性上升，同時(shí)副邊二極管截止。隨后，將S₁關(guān)斷，S₂繼續導通，激磁電感和S₁的結電容C₁諧振，考慮到實(shí)際中激磁電感非常大而結電容非常小，并且這段時(shí)間又非常短，所以，可以看成原邊電流對C1進(jìn)行恒流充電，C₁上的電壓線(xiàn)性上升。一旦C₁上的電壓到達V_in，D₁就導通，變壓器上電壓為零，原邊電流流過(guò)S₂和D₁且保持不變。當S₂也關(guān)斷后，激磁電感和S₂的結電容C₂諧振，同樣可以看成原邊電流對C₂恒流充電，C₂上的電壓線(xiàn)性上升。當C₂上的電壓上升到nV_o時(shí)，D₁關(guān)斷，原邊電流為零。此時(shí)，副邊二極管開(kāi)始導通，變壓器原邊電壓被輸出電壓V_o鉗在－nV_o，作為復位電壓，激磁電流線(xiàn)性下降。S₁和S₂重新開(kāi)通后，進(jìn)入下一開(kāi)關(guān)周期。

3 特性比較

從以上的分析可以看出，傳統的雙管反激和寬范圍雙管反激在工作原理上十分類(lèi)似，但是，兩者的特性有比較大的差異。

3.1 開(kāi)關(guān)電壓應力

傳統的雙管反激變換器兩個(gè)開(kāi)關(guān)管S₁及S₂的電壓應力不會(huì )超過(guò)輸入電壓，因為，C₁或C₂上的電壓一旦大于輸入電壓V_in，D₁和D₂就相應導通，將C₁及C₂上的電壓峰值鉗在V_in。即使是漏感在開(kāi)關(guān)管上引起的電壓尖峰也會(huì )被D₁及D₂鉗位，不會(huì )高于輸入電壓。因此，傳統雙管反激變換器主開(kāi)關(guān)的電壓應力均為輸入電壓V_in。

對于圖2（b）所示的寬范圍雙管反激變換器，主開(kāi)關(guān)S₁的結電容C₁上電壓達到V_in時(shí)，D₁就相應導通，因此，S₁上的電壓不會(huì )超過(guò)V_in。而當主開(kāi)關(guān)S₂的結電容C₂上電壓上升至nV_o時(shí)，D₁關(guān)斷，副邊二極管導通，因此，S₂上的電壓不會(huì )超過(guò)nV_o?？梢?jiàn)該變換器主開(kāi)關(guān)S₁及S₂的電壓應力分別為V_in及nV_o。如果是圖2（a）所示的變換器，則主開(kāi)關(guān)S₁及S₂的電壓應力分別為nV_o及V_in。但是，實(shí)際電路中漏感的存在，會(huì )引起圖2（a）中的S₁或圖2（b）中的S₂上產(chǎn)生比較大的電壓尖峰，相應的電壓應力要增加。所以，寬范圍雙管反激變換器的其中一個(gè)開(kāi)關(guān)管的電壓應力要比傳統雙管反激的開(kāi)關(guān)電壓應力大一些。

3.2 整機效率

由于反激型變換器的變壓器磁芯要墊氣隙，所以，漏感比一般的變換器中變壓器要大。漏感大會(huì )直接導致主開(kāi)關(guān)上產(chǎn)生很高的電壓尖峰，需要另外加緩沖電路吸收。在上面對寬范圍雙管反激變換器的原理分析中，為簡(jiǎn)單起見(jiàn)而忽略了漏感的影響，但實(shí)際上漏感是不可能為零的，因此，圖2（a）中的S₁及圖2（b）中的S₂上都會(huì )有漏感引起的電壓尖峰，需要加RCD電路加以吸收，則在R上損失比較多的能量。

而對于傳統的雙管反激變換器，在反激開(kāi)始時(shí)，儲存在漏感中的能量通過(guò)D₁及D₂全部反饋到輸入側，系統能量損失相對要小。

因此，在相同規格以及開(kāi)關(guān)條件下，傳統的雙管反激變換器要比寬范圍雙管反激變換器整機效率高一些。

3.3 寬范圍適應性

傳統的雙管反激變換器有兩個(gè)二極管D₁和D₂在復位階段對變壓器鉗位，所以，變壓器上的復位電壓不能超過(guò)輸入電壓，如圖3（a）所示。也就是要滿(mǎn)足以下條件：

V_inD=V_reset(1－D)=V_in(1－D)（1）

可以推出

D=50％（2）

可見(jiàn)傳統的雙管反激變換器不能工作在占空比大于50％，這就使其在寬范圍場(chǎng)合應用時(shí)遇到了困難。

而本文提出的寬范圍雙管反激變換器沒(méi)有這個(gè)條件限制，變壓器上的復位電壓可以大于輸入電壓，如圖3（b）所示，所以，能夠工作在占空比大于50％。另外，反激變換器的輸入輸出電壓滿(mǎn)足D/(1－D)的關(guān)系。通常，變換器的輸入輸出電壓有4種關(guān)系，即D，1/(1－D)，D/(1－D)，D(1－D)。在這4種關(guān)系中，D/(1－D)的寬范圍適應性要遠遠優(yōu)于其它幾種關(guān)系。寬范圍雙管反激變換器的增益正好是D/(1－D)的關(guān)系，所以，這種變換器的輸入或輸出電壓調節范圍很寬，特別適合用于超寬范圍場(chǎng)合。

(a) 傳統的雙管反激 (b) 改進(jìn)的雙管反激

圖3 兩種變換器的變壓器上的波形比較

Fig.3 Transformer waveform compariso of two converters