带回馈变压器的新颖软开关推挽变换器

刘隆华　黄洪全　黄启哲　李民强　卢绍成

（1. 广西电网有限责任公司河池供电局，广西 河池 547000；2. 广西大学电气工程学院，南宁 530004）

带回馈变压器的新颖软开关推挽变换器

刘隆华1黄洪全2黄启哲1李民强1卢绍成1

（1. 广西电网有限责任公司河池供电局，广西 河池 547000；2. 广西大学电气工程学院，南宁 530004）

针对推挽变换器难于实现软开关的问题，提出了一种新颖的带回馈变压器的软开关辅助电路，使两个推挽功率开关管实现软开通和软关断。分析了电路的工作原理并推导出电路参数的计算公式。当回馈馈变压器的升压比和励磁电感满足设计条件时，可避免回馈变压器进入磁饱和状态。研制的实验样机投入实际应用，验证了电路和分析方法的正确性。

推挽变换器；软开关；回馈变压器

推挽变换器具有功率开关器件少、驱动电路简单、电压利用率高、输入输出隔离、变压器利用率高、电压增益大等特点［1］，在低电压输入高电压输出的应用中具有显著的优势［2-5］。离线式配网故障定位仪要求在低压直流供电的情况下，产生数万伏的高压直流信号，用于重新击穿故障点，为故障定位创造条件［6］，采用推挽变换器是较合理的方案。

推挽电路的缺点也很突出。功率管关断时，变压器漏感电流没有续流通道，关断尖峰电压高，难于实现软开关。为克服这一缺点，研究者提出了许多改进方案。一种方案是在功率开关管上并接电容器，在主变压器副边添加谐振单元，构成谐振型推挽变换器，实现软开关。这种方案增加了功率管开通时电流峰值过高的风险。当输出电压很高、负载变化范围很大时，主变压器副边绕组分布参数对谐振参数的影响较大。另一种方案是采用推挽正激变换器，两个功率开关管通过电容器串接起来，解决了变压器漏感电流续流的问题。但其驱动电路变得复杂。由于电路对称性消失，两个功率开关管的导通时间难于保持平衡，偏磁问题比较严重，需要采用较复杂的偏磁抑制方法。本文提出了一种带回馈变压器的软开关辅助电路，无需改变主电路结构和控制方式，不仅能抑制尖峰电压，还能使两个功率开关管实现软开通和软关断。将研制的软开关推挽变换器应用于10kV配网接地故障定位仪，取得了良好的效果。

1　新型软开关推挽变换器原理与分析

图1是带回馈变压器的软开关推挽变换器电路原理图。功率开关管VT1、VT2、主变压器T1等元件构成推挽变换器主电路。电容C1、回馈变压器T2、回馈电感L1和二极管D1、D3组成功率开关管VT1的软开关辅助电路。电容C2、回馈变压器T3、回馈电感L2和二极管D2、D4组成功率开关管VT2的软开关辅助电路。

图1　软开关推挽变换器原理

推挽变换器的两个功率管及其软开关辅助电路是完全对称的，仅以VT1及其软开关辅助电路为例分析电路的工作原理。在一个PWM周期内，软开关辅助电路的工作过程可分为4个状态，如图2所示。电路各点的仿真波形如图3所示。

图2　软开关推挽电路工作状态

图3　软开关推挽电路仿真波形

状态1：VT1由导通转为关断，VT2保持关断。T1的1号绕组、VCC、C1和D1组成漏感电流续流回路。漏感电流能量转移到C1，电容电压上升。由于C1的初始电压为零，当VT1的关断速度高于C1电压上升速度时，在VT1关断的过程中，其承受的电压近似为零，实现了软关断。如果状态1持续的时间足够长，VCC和漏感电流的共同作用，使C1的最大充电电压高于2VCC。

状态2：VT1保持关断，VT2由关断转为导通。T1的2号绕组端电压下降，1号绕组端电压上升到2VCC。如果在上一个状态结束时，变压器漏感能量还没有释放完，变压器漏感能量将继续对C1充电。漏感能量释放完后，C1上的电压高于2VCC，转而开始放电。在状态2期间，电容电压先升后降，如果状态2持续时间足够长，C1的稳态电压为2VCC。

状态3：VT1保持关断，VT2由导通转为关断。T1原边两个绕组的端电压稳态值为VCC。电容C1在上一状态结束时的电压约为2VCC，C1将通过T1的1号绕组、VCC、回馈变压器T2原边绕组放电。回馈变压器T2副边绕组的回馈电流开始上升，向电源VCC回馈能量。如果状态3持续时间足够长，C1放电终点值将达到VCC。

状态4：VT1由关断转为导通，VT2保持关断。C1上的电压通过VT1和T2原边绕组放电，为下一个状态吸收漏感能量、抑制尖峰电压做好准备。T2副边绕组的回馈电流iL1明显上升，随后向负载释放能量而衰减。在VT1开通的瞬间，其等效负载相当于初始电流为零的电感负载，电流上升速度慢而电压下降速度快。在VT1开通的过程中，VT1管两端承受的电压近似为零，实现了功率管的软开通。如果状态4持续时间足够长，且电路参数选择适当，C1放电终点值为零。

2　软开关辅助电路参数的计算

在软开关辅助电路中，回馈变压器的参数设计最为关键。回馈变压器的原边和副边绕组均工作在直流状态，为了避免绕组电流过大导致回馈变压器饱和，同时，为了保证功率开关管的软开通，必须选择电路参数，使回馈变压器原边和副边电流都能及时回零。设回馈变压器原边与副边的匝数比为1∶k，k＞＞1，励磁电感为LM，LM＞＞L1/k2。C1放电时，回馈变压器输出电压远大于VCC，可忽略VCC对C1放电过程的影响，又由于C1的放电速度远高于励磁电流和回馈电流的衰减速度，可将能量回馈过程分为C1放电和电感电流衰减两个阶段。

设C1放电时，励磁电感和回馈电感的初始电流为零，则由能量守恒得

式中，VC0是C1的初始电压，通常在VCC至2VCC之间。IC为C1放电完毕时的最大电流。根据并联电感的分流关系可得回馈电感的电流最大值为

励磁电感电流最大值为

C1放电完毕后，励磁电流iLM通过二极管D1形成回路并逐渐衰减。设二极管正向导通电压为VD，忽略二极管导通电阻的影响，则励磁电流的微分方程为

为避免励磁电流不断增加，励磁电流在下一个C1放电时刻前回零。设TD为励磁电流回零的时间，BD为回零时间与PWM周期T的比，可得

式中，BD=TD/T，0＜BD＜1。

同理，C1放电完毕后，回馈电流iL1开始向VCC或负载供电，电流逐渐衰减，忽略回馈变压器原边电压的影响，其电流微分方程为

为保证功率开关管的软导通，回馈电流iL1在下一个C1放电时刻前回零。设TH为iL1由最大值回零的时间，BH为回零时间与PWM周期T的比，可得

式中，BH=TH/T，0＜BH＜1。根据式（1）至式（5）可得

考虑最不利的情况，取VC0=2VCC，则式（7）可变为

式（6）给出了回馈变压器升压比的最小值，通常取BD=BH。式（8）给出了回馈电感最大值计算公式。由式（3）可知，k和LM越大，励磁电流就越小，励磁电流回零的时间也越短。

上述结论的物理意义也是明确的。当回馈变压器的升压比和励磁电感足够大，而回馈电感足够小时，在一个PWM周期内，大部分漏感能量被回馈到电源和负载。回馈变压器自身吸收或储存的能量很小，并很快被续流二极管全部消耗掉，励磁电流回零。在能量吸收和回馈过程中，回馈变压器不会因磁饱和而失效。回馈电感的取值应在满足式（8）的情况下，尽量取较大的值。若回馈电感太小，则能量回馈过程太快，功率开关管的导通电流将大幅增加。

3　实验结果及分析

根据配网故障定位仪的工作条件，确定推挽变换器的输入电源为蓄电池，电压60V，最大输出电压14000V，最大输出电流200mA。将研制的软开关推挽高压变换器投入使用，用电流和电压传感器测量电路的波形，结果如图4所示。图4（a）中电流波形接近于梯形波。因选用的回馈电感较小，电流在功率开关管导通时有一定的过冲。图4（b）是功率开关管关断时刻的波形图，在电流下降的过程中，电压很小，表明功率开关管是软关断。图4（c）是功率开关管开通时刻的波形图，在电流上升过程中，电压很快下降接近于零，表明功率开关管是软开通。

图4　实测波形图

4　结论

在推挽变换器中，用回馈变压器组成软开关辅助电路，可以将功率开关管关断时的漏感能量回馈给电源和负载，并实现两个功率开关管的软开通和软关断。当回馈变压器的升压比和励磁电感满足设计条件时，其励磁电流可在每个PWM周期内归零复位，避免磁饱和。软开关的实现不依赖于谐振元件，对电路参数不敏感，对控制方式没有特殊要求。电流波形接近梯形波，有利于降低功率开关管的电流有效值和峰值，适合在输入电压较低的高压变换器中应用。

［1］ （美）Abraham I. Pressman， （美）Keith Billings，（美）Taylor Morey， et al. 开关电源设计［M］. 北京： 电子工业出版社， 2010.

［2］ 罗劼， 杨永飞， 陈建华， 等. 一种高性能车载直流电源设计［J］. 电力电子技术， 2011， 45（5）： 84-86.

［3］ 王赞， 肖岚， 严仰光. 基于燃料电池的推挽正激变换器的控制研究［J］. 中国电机工程学报， 2007，27（33）： 82-86.

［4］ 袁义生， 龚昌为. 一种谐振型推挽式直流变换器［J］.电力自动化设备， 2012， 32（10）： 83-87， 93.

［5］ 姚志垒， 肖岚， 黄勇， 等. 低整流电压应力的推挽正激三电平变换器［J］. 电工技术学报， 2012， 27（9）：231-236， 241.

［6］ 张慧芬， 潘贞存， 桑在中. 基于注入法的小电流接地系统故障定位新方法［J］. 电力系统自动化， 2004，28（3）： 64-66.

Novel Soft Switch Push-pull DC/DC Converter with Feedback Transformers

Liu Longhua1Huang Hongquan2Huang Qizhe1Li Minqiang1Lu Shaocheng1
（1. Hechi Power Supply Bureau， Guangxi Power Grid Co.， Ltd， Hechi， Guangxi 547000；2. College of Electrical Engineering， Guangxi University， Nanning 530004）

For the shortcomings of a traditional push-pull converter， a novel soft switch auxiliary circuit with feedback transformers， which assists the two power devices in push-pull converter to switch softly， is proposed. The operating principle is analyzed and a series of formulas to determine the circuit parameters are derived. When the turns ratio and the magnetizing inductance meet the design conditions，the feedback transformer can avoid entering the magnetic saturation. The soft switching push-pull DC/DC converter has been put into use， verifying the correctness of the circuit and the design method.

push-pull converter； soft switch； feedback transformer

中国南方电网公司科技开发项目（K-GX2014-047）

刘隆华（1985-），男，广西河池人，硕士，助理工程师，研究方向为电力系统运行。