一种适用于高压输入的高可靠性新型推挽正激变换器

华 明，鞠文耀，夏炎冰，吴红飞，邢 岩

(1．南京电子技术研究所，江苏 南京210039;2．江苏省新能源发电与电能变换重点实验室(南京航空航天大学)，江苏 南京210016)

1 引言

正激变换器以其高可靠性、拓扑结构简单和高效率的优点而获得了广泛应用［1-13］。然而，正激变换器必须要引入变压器磁复位电路来保证变压器可靠磁复位，磁复位问题同时导致正激变换器磁芯利用率低、开关管电压应力高的问题，限制了其在高压场合的应用。在众多的正激变换器中，双管正激变换器通过二极管完成变压器磁复位，磁复位方式简单，且磁复位二极管同时实现了开关管电压钳位、变压器漏感能量和激磁能量回收，具有电压应力低、效率高等优点;特别是由二极管和开关管串联构成的开关桥臂从根本上避免了开关桥臂短路直通的潜在威胁，使其在航空航天等对可靠性具有特殊要求的场合获得了广泛的应用。但是，双管正激变换器的变压器只能单向磁化，且开关管的最大占空比只能达到0.5。推挽正激变换器(Push-Pull Forward Converter，PPFC)［7，8］的变压器磁芯可以双向磁化，其磁芯利用率高并且不需要再加入一个磁复位电路。然而，PPFC的开关管电压应力是输入电压的两倍［9，10］，严重限制了其在高压输入场合的应用，此外，变压器漏感导致很高的开关尖峰，不适合应用于对可靠性要求很高的场合。

本文提出一种适用于高压输入、高可靠性的新型推挽正激变换器。通过将两个正激变换器单元［6，11］交错串联，并利用一个磁芯将两个正激单元的变压器进行耦合，使得所提出的PPFC同时具备双管正激变换器高可靠性、低电压应力以及传统PPFC高磁芯利用率、无开关管最大占空比限制的优点。

2 电路拓扑及工作原理

2.1 电路拓扑

所提出的PPFC原理图如图1所示，变换器由两个正激单元组成［6，11］。其中一个正激单元由C1、S1、D1和NP1组成，另一个正激单元由C2、S2、D2和NP2组成。两个正激单元通过公共变压器磁芯耦合。副边电路可以采用全波整流、全桥整流或倍流整流等整流电路，图1中给出的是采用全波整流的整流电路，图中Llk1和Llk2是变压器T的漏感，CS1和CS2是S1和S2的寄生电容。原边二极管D1、D2不仅为相应的单元提供磁复位回路，同时还将S1和S2的两端电压箝位在输入电压，且能够实现漏感能量的回馈。

2.2 工作原理

为了简化分析，做如下假设:

图1 新型PPFC拓扑Fig．1 Schematic of proposed converter

(1)输出电容Co、输入电容C1和C2均足够大，电压纹波可以忽略，并且VC1=VC2=0.5Vin。

(2)S1、S2的寄生电容CS1、CS2相等，且CS1=CS2=CS。

(3)变压器两绕组匝数相同，NP1=NP2=NP，NS1=NS2=NS，变压器原副边绕组的匝数之比为n=NS:NP;变压器漏感等效至原边，且Llk1=Llk2=Llk。

主开关管S1、S2交错导通，变换器一个开关周期分为12个工作模态。变换器一个周期内的主要波形如图2所示，其中vGS1、vGS2为开关管S1、S2的驱动信号。各工作模态的等效电路如图3所示。

图2 新型推挽正激变换器工作波形Fig．2 Operation waveforms of proposed PPFC

模态1［t0～t1］(见图3(a)):t0时刻之前，S2开通，此时能量通过S2、变压器T和整流二极管D2向负载传递。t0时刻，S2关断，电流iNP2对CS2充电，vCS2电压增大，变压器原边绕组两端电压减小。

图3 各模态等效电路图Fig．3 Equivalent circuits in differentmodes

模态2［t1～t2］(见图3(b)):t1时刻，vCS2电压增大到VC2，变压器原边两端电压减小至0。副边整流二极管D3、D4导通，同时iNP2、iNS2线性减小，iNS1线性增大。电流iNP2继续对CS2充电，vCS2继续增大。

模态3［t2～t3］(见图3(c)):t2时刻，CS2电压增大到Vin，D2导通，变压器磁化能量通过D2回收至输入源，iNP2继续线性减小。

模态4［t3～t4］(见图3(d)):t3时刻，iNP2减小至0，D2关断。电感电流通过D3、D4及变压器副边绕组续流，此时iNS1和iNS2保持相等，直到t4时刻S1导通。

模态5［t4～t5］(见图3(e)):t4时刻，S1开通，D3、D4维持导通。变压器副边绕组NS1、NS2反射电压降原边NP2电压箝位为0，CS2电压箝位为Vin/2。iNS1线性增加，iNS2线性减小。

模态6［t5～t6］(见图3(f)):t5时刻，iNS2减小至0，D4关断。S2两端电压增加至Vin。能量通过S1、变压器T和整流二极管D1传递至负载。

经过上述6个工作模态后，变换器进入下半个开关周期，其工作过程与前半个周期相似。

3 变换器特性分析及比较

3.1 变换器特性

根据上述工作原理，新型PPFC具有如下几个显著特点:

(1)变压器的去磁电流经过D1(或D2)流入C2(或C1)，因此开关管S1和S2两端的电压应力箝位于输入电压Vin，是常规PPFC所承受应力的一半。因此新型PPFC适用于高压输入场合。

(2)变换器利用续流二极管完成变压器磁复位，磁化及漏感能量无损回收至输入源，变换器效率高。

(3)新型PPFC所包含的器件个数与双管正激变换器相同。但是，新型PPFC开关管交错工作，其等效占空比和工作频率是双管正激变换器的两倍，相同输出规格下其电流纹波及滤波器体积小。

(4)对输出电感采用伏秒平衡原则，可以得到输出电压与输入电压的关系为:与半桥变换器和双管正激变换器相同。

3.2 拓扑比较分析

由于传统推挽正激变换器、双管正激变换器、半桥变换器(如图4所示)与所提出的推挽正激变换器的电路结构及应用场合类似，为了便于在工程应用中选择合适的拓扑，本节将四者进行比较分析，对比结果如表1所示。

图4 变换器比较Fig．4 Comparison with other converters

传统的PPFC的电压变比是新型PPFC的两倍，但是其开关管的电压应力也是新型PPFC的两倍。双管正激变换器与新型PPFC均使用两个原边二极管为变压器磁复位时的磁化电流提供通路。新型PPFC两个正激单元交错工作，等效占空比和工作频率是双管正激变换器的两倍，因此相同输出规格下其电流纹波及滤波器体积小。

新型PPFC和半桥变换器工作特性相似［12，13］。与半桥变换器相比，新型PPFC在拓扑上稍显复杂:新型PPFC需要外加两个二极管使得变压器正常磁复位，而半桥变换器可以利用开关管的体二极管来完成变压器磁复位。两个变换器磁芯均双向工作，但是新型PPFC比半桥多用一个原边绕组，变压器绕组利用率不高。然而，半桥变换器两个开关管构成桥臂并接于输入源，结构上存在桥臂直通的危险，不适用在可靠性要求高的场合，而新型PPFC是开关管与二极管构成桥臂并接于输入源，从结构上杜绝了桥臂直通的危险，可靠性高。

表1 新型推挽正激变换器与其他两个变换器比较分析Tab．1 Comparison between proposed converter and other converters

综上可知，三个拓扑各有优缺点，其中新型PPFC更加适用于高可靠性、高输入电压和高功率的场合。

4 实验验证

搭建了一台850W新型PPFC实验样机，样机输入直流电压280～330V，输出48V直流电压。实验样机参数为:

开关管S1和S2:IXFH32N50;

原边二极管D1和D2:HER207;

副边二极管D3和D4:MBR20200CTG;

输入电容:C1=C2=250μF;

输出电容:Co=440μF;

输出滤波电感:Lo=16μH;

变压器匝比:NP1∶NP2∶NS1∶NS2=13∶13∶5∶5;

开关频率:100kHz。

图5 满载时，v GS1、v GS2、v DS1和v DS2波形Fig．5 v GS1，v GS2，v DS1 and v DS2 waveforms at full load

图6 满载时，v GS1、v GS2、v T1和v T2波形Fig．6 v GS1，v GS2，v T1 and v T2 waveforms at full load

图5～图7所示为样机输入310V直流电压、满载工作的实验波形。图5所示为两个主开关管的门极-源极电压vGS、漏极-源极电压vDS波形，从图中可以看出开关管所承受的最大电压等于输入电压。图6所示为vGS和变压器原边线圈电压vT波形，从图中可以看出，变压器的励磁电压和复位电压等于输入电压Vin的一半，因此去磁时间等于开通时间。图7所示为电感电流iLo、变压器副边线圈电流iS波形，从图中可以看出，采用交错驱动，等效占空比和开关频率增大一倍，可以有效降低输出电流纹波和输出滤波器体积。图5～图7中在开通和关断处电压波形存在振荡，是因为变压器漏感和寄生电容谐振造成的。

图7 满载时，v GS1、iL o和i S波形Fig．7 v GS1，iL o and i S waveforms at full load

样机在输入电压310V的情况下，效率随输出功率变化曲线如图8所示。满载效率为94.32%，并且全功率范围内均具有较高的转换效率。

图8 输入310V时效率随功率变化曲线Fig．8 Efficiency vs．output power

5 结论

本文提出了一种新型的推挽正激变换器，它具有如下特点:(1)变换器所用开关器件的数量与传统的双管正激变换器相同，但变压器双向磁化、提高了磁芯利用率，功率密度高;(2)变换器中的两个正激单元交错工作，提高了等效开关频率，有效减小输出滤波器的体积;(3)主开关管电压应力等于输入电压，仅为传统推挽正激变换器的一半，器件应力低;(4)变换器开关桥臂由二极管和开关管串联构成，实现了变压器漏感能量回馈，效率高，同时从根本上消除了开关桥臂短路直通的可能，具有高可靠性。

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