作者：岳勝娥

　　作者單位：武漢洲際通信電源集團(tuán)技術(shù)中心，430035，武漢

　　刊名：通信電源技術(shù)

　　摘要：提出一種新型DC - DC正激變換器次級(jí)有源籍位電路。它一方面將儲(chǔ)存于變壓器漏感能量無(wú)損耗地轉(zhuǎn)移到負(fù)載，另一方面有效降低了次級(jí)功率二極管電壓應(yīng)力。本文對(duì)其一個(gè)周期內(nèi)工作原理及相關(guān)理論進(jìn)行分析，并給出2.8 kW DC - DC變換器實(shí)驗(yàn)結(jié)果及波形。

　　1 前言

　　圖1為正激變換器次級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電路，VD1為整流二極管，VD2是續(xù)流二極管，Lf是輸出濾波電感，Cf是輸出濾波電容。當(dāng)初級(jí)開(kāi)關(guān)管開(kāi)通時(shí)，VD1導(dǎo)通，VD2截止，初級(jí)能量向負(fù)載轉(zhuǎn)移；當(dāng)初級(jí)開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)，VD1關(guān)斷，VD2開(kāi)通，濾波電感電流通過(guò)VD2續(xù)流。以上只是理想狀態(tài)，若考慮功率二極管的反向恢復(fù)特性和變壓器漏感，當(dāng)VD1（或V D2）處于反向恢復(fù)期時(shí)，有一沖擊電流流經(jīng)變壓器，并將能量?jī)?chǔ)存于變壓器漏感中，此能量將使二極管承受較大的反向電壓沖擊。這樣一方面需選用較高耐壓等級(jí)的二極管，另一方面產(chǎn)生的EMI也較大。此外，由于變壓器存在繞線電阻，此能量會(huì)使變壓器發(fā)熱。如何有效處理漏感能量呢？ 常用的辦法是將無(wú)源RC緩沖電路與每只功率二極管并聯(lián)，如圖2所示，使漏感能量都消耗在緩沖器上。工作頻率越高，緩沖器消耗的能量越多，因此，變換器頻率和效率都不高。下面 將介紹一種有源箱位電路，它能將功率二極管反向電壓籍位在一較低范圍內(nèi)，并且能量回收電路將漏感所存儲(chǔ)的能量無(wú)損耗地轉(zhuǎn)移到負(fù)圖1 DC載，便于實(shí)現(xiàn)變換器的小型化。

　　圖1 正激變換器次級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電路

　　圖2 帶RC緩沖電路的功率二極管

　　2 電路原理分析

　　DC 一DC 次級(jí)有源籍位電路如圖3所示，L2表示變壓器次級(jí)的漏感，由VDI，VD2，VD3，VD4，C1組成全橋結(jié)構(gòu)籍位電路，VD1，V D2是正激變換次級(jí)主整流二極管和續(xù)流二極管。對(duì)于這種全橋結(jié)構(gòu)，加在每個(gè)主二極管上的反向電壓就

　　圖3 DC 一DC 次級(jí)有源籍位電路

　　是電容CI的電壓。因此，如果能將C1電壓籍在小于每個(gè)二極管的反向電壓，二極管就可實(shí)現(xiàn)安全籍位了VT3，L3 ，V D5，C： 組成升一降壓式的能量回收電路。下面將分5個(gè)階段對(duì)DC -DC次級(jí)有源籍位電路一個(gè)周期內(nèi)工作過(guò)程進(jìn)行分析，參見(jiàn)圖4（圖中縱坐標(biāo)比例不一致）。

　　為了便于分析，作出如下假設(shè)：

　　（a） 輸出電感Lf足夠大，在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，其電流基本保持不變，因此L：和C;以及負(fù)載可看成一個(gè)電流為I。的恒流源;

　　（b） 變壓器除考慮次級(jí)漏感外視為理想器件;

　　（c） 主二極管VD;和續(xù)流二極管VD：除考慮

　　反向恢復(fù)特性外其它均不考慮;

　　（d） 其它元件都是理想的。

　　（1） t0一 t1

　　to時(shí)刻 ， 變換器初級(jí)開(kāi)關(guān)管開(kāi)通，變壓器次級(jí)線圈電壓U，翻轉(zhuǎn)為Up，;/k，其中嘰*為初級(jí)直流電壓，k為變壓器初次級(jí)匝比。整流二極管VD，正向偏置導(dǎo)通，流過(guò)玩、VD，的電流線性增長(zhǎng)，增長(zhǎng)率為di/dt= U sec/L 2。由于二極管的反向恢復(fù)特性，VD2 尚未關(guān)斷，IVD2以相同的速率減小，但總的I0不變。

　　（2） t1一 t2

　　IL2 在 t; 時(shí)刻達(dá)到值IL2（max）二Io+IRR其中IRR為VD：的反向恢復(fù)電流峰值。t1時(shí)刻，VD2反向恢復(fù)期結(jié)束后關(guān)斷，VD2上開(kāi)始有反向電壓，籍位二極管VD;導(dǎo)通。此時(shí)，籍位電路將加在VD：上的反向電壓籍位為C1的電壓，L：上多余的能量向C1轉(zhuǎn)移，IL2下降，Uc，增加。t：時(shí)刻，IL2= I0 ，VD 4 關(guān)斷

　　可以計(jì)算出這段時(shí)間轉(zhuǎn)移到C2上的能量為：

　　（3） t2一 t3

　　t2時(shí) 刻 ， VT3開(kāi)通，而在此之前，IL3=0，因此V T3實(shí)現(xiàn)了零電流開(kāi)通，開(kāi)通損耗很小。C1上儲(chǔ)存的能量通過(guò)負(fù)載一L3-V T3通路向負(fù)載和L3轉(zhuǎn)移，IL3增加。由于I。不變，IVDI將減小。t3時(shí)刻，C1復(fù)位

　　（4） t3 一 t4

　　t3時(shí)刻，變換器初級(jí)開(kāi)關(guān)管關(guān)斷，同時(shí)VT 3關(guān)斷，I0和IVDI線性減小，減率di/dt=U}，/L29I V D 2以相同速率線性增加。儲(chǔ)存于L3上的能量轉(zhuǎn)移到C：上，IL3減小，其減小率為dIL3/dt=一Uo/L3。若忽略R3損耗，（因?yàn)樵谀K正常工作時(shí)R3上消耗的功率約0.3W ），C： 與負(fù)載并聯(lián)，這樣L3上的能量就轉(zhuǎn)移到負(fù)載上去了。

　　圖4 箱位電路工作原理波形

　　（5） t4 一 t5

　　t;時(shí)刻 ，IL2和，VDl達(dá)到負(fù)的，RR，而IVD2達(dá)到值，ID2（MAX）=Io+IRR，VD1關(guān)斷，籍位二極管V D3開(kāi)通。此時(shí)，加在VD1上的反向電壓為籍位電容C1的電壓，漏感上的能量通過(guò)V D2-Cl-VD3-L：通路向C，轉(zhuǎn)移，UCi增加。t5時(shí)刻，IL2 為0，這段時(shí)間轉(zhuǎn)移到C1上的能量為：

　　t5時(shí)刻后 ，輸出電感通過(guò)VD：續(xù)流，以維持輸出電流連續(xù)。此后開(kāi)始新的周期，狀態(tài)同（1）。

　　3 、性能分析

　　3.1 、能量分析

　　由于變壓器的漏感與繞制工藝和磁芯材料有關(guān)，為了簡(jiǎn)化分析在這里將它看成一常量。由以上分析可知：在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)漏感所儲(chǔ)存的能量為

　　那么單位時(shí)間內(nèi)漏感所儲(chǔ)存的能量為

　　式中，f為變換器的工作頻率）。若采用RC緩沖器與主二極管并聯(lián)，這部分能量全消耗在緩沖器上。由該式可看出，P與f成正比，這使得采用RC緩沖器的變換器工作頻率和效率難以提高。若采用本文介紹的能量回收電路，這部分能量全部轉(zhuǎn)移到負(fù)載上，有利于提高工作頻率和效率。

　　3.2 有源箱位分析

　　由以上分析可知，在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)漏感所儲(chǔ)存的能量均轉(zhuǎn)移到籍位電容C1上，由此可得C，上電壓增量△U為變換器的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

　　圖 5是籍位電容C1兩端電壓波形。由圖可看出，其電壓是在160 V平均電壓上有些波動(dòng)，但值不超過(guò)180 V。因此，整流（續(xù)流）二極管用低耐壓200 V的二極管是很安全的。

　　圖 5 箱位電容C1兩端電壓波形

　　表 1是可選用的兩種二極管的參數(shù)對(duì)比，顯然，200 V比400 V的二極管有更低導(dǎo)通壓降，同等條件下，用200 V的二極管導(dǎo)通損耗更低。

　　表 1 兩種二極管參數(shù)對(duì)比

　　為了 確 保 二極管安全箱位，也就是當(dāng)籍位電容吸收漏感多余能量而電壓升高時(shí)二極管不會(huì)有燒壞的危險(xiǎn)，籍位電容的電容量需要大些。這樣，在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期，籍位電容上的電壓就是在一平均電壓基礎(chǔ)上有微小的波動(dòng)。由此可知，C1越大，DU越小。但C，越大，體積和價(jià)格也相應(yīng)增加。因此，只要選擇合適的C，值，DU就可確定，U十△U（主二極管上的反向電壓）也確定了。將它與手冊(cè)上擬選用二極管的反向電壓相比較，即可確定二極管工作是否安全。表中，IRR反向恢復(fù)電流峰值在

　　Tj=100℃條件下測(cè)得;OF導(dǎo)通壓降在if=60A ，Ti =150℃條件下測(cè)得。

　　此外， 經(jīng)計(jì)算，（1）選用400V 功率二極管，RC緩沖電路總損耗137 W ;

　　（2） 選用 400V 功率二極管，有源緩沖電路總損耗70 W ;

　　（3） 選用 200V 功率二極管，有源緩沖電路總損耗48 W，，

　　由此可見(jiàn) ，選用200V 功率管的有源緩沖電路比選用400 V功率管的RC緩沖電路節(jié)省功率89 W。對(duì)于2.8 kW的變換器而言，可將效率提高3個(gè)百分點(diǎn)。

　　5、結(jié)論

　　由以上分析可知，次級(jí)有源籍位電路有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：（1）將功率二極管反向恢復(fù)期間存儲(chǔ)于變壓器漏感的能量無(wú)損轉(zhuǎn)移到負(fù)載;（2）降低功率二極管電壓應(yīng)力。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該電路設(shè)計(jì)是可行的。