正激電路拓補結(jié)構(gòu)的分類及比較

1． 引 言

在各種間接直流變流電路中，正激DC/DC變換器具有電路拓補結(jié)構(gòu)簡單，輸入輸出電氣隔離，電壓升、降范圍寬，易于多路輸出等優(yōu)點，因此被廣泛應(yīng)用于中小功率電源變換場合，尤其在供電電源要求低電壓大電流的通訊和計算機系統(tǒng)中，正激電路更能顯示其優(yōu)勢。但是在開關(guān)關(guān)斷期間，高頻變壓器必須磁芯復(fù)位，以防變壓器鐵心飽和，因此必須采用專門的磁復(fù)位電路。正是由于磁復(fù)位技術(shù)的多樣性，以及軟開關(guān)技術(shù)的發(fā)展，導(dǎo)致正激電路拓補結(jié)構(gòu)的多樣性。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，各種新的正激電路拓補結(jié)構(gòu)不斷出現(xiàn)，不同的拓補結(jié)構(gòu)已有二十余種。本文詳細闡述了正激電路拓補結(jié)構(gòu)的分類，結(jié)構(gòu)比較，和應(yīng)用場合，并且分析了軟開關(guān)技術(shù)在正激電路中的應(yīng)用。

2． 基本電路結(jié)構(gòu)

典型的單開關(guān)正激電路如圖1所示。

電路的簡單工作過程為：開關(guān)管S開通后，變壓器原邊電壓上正下負，根據(jù)同名端，負邊電壓也為上正下負，因此二極管D1導(dǎo)通，D2截止，電感電流逐漸增長；S關(guān)斷后，二極管D2導(dǎo)通，D1截止，電感電流通過D2續(xù)流。變壓器的勵磁電流通過磁復(fù)位電路降為零，防止磁芯飽和。

圖1 正激電路的原理圖

3． 各種拓補結(jié)構(gòu)的分類及比較

正激電路拓補結(jié)構(gòu)多種多樣，大致可以這樣分類：根據(jù)驅(qū)動管子個數(shù)，可分為單管正激，雙管正激；根據(jù)磁芯復(fù)位技術(shù)的不同，可分為輔助磁通繞組復(fù)位，LCD緩沖網(wǎng)絡(luò)復(fù)位，RCD箝位復(fù)位，有源箝位復(fù)位；根據(jù)拓補結(jié)構(gòu)的形式不同，可分為單個變換器和串、并組合變換器。

3．1單管正激與雙管正激

單管正激如圖1所示。雙管正激有兩個開關(guān)管，其基本結(jié)構(gòu)就比單管正激多一個開關(guān)管，原理圖如圖2所示。

圖2 雙管正激電路原理圖

單管正激在S關(guān)斷后，開關(guān)管承受的電壓高于電源電壓，雙管正激由于有兩個開關(guān)管，每個開關(guān)管承受的關(guān)斷電壓只有單管的一半，因此電壓應(yīng)力大大減小。雙管正激電路有很多有點：主管的電壓應(yīng)力小，電路簡單，控制方便，電路的動態(tài)性能好，可靠性高，不存在橋臂直通，拓寬了電路的功率等級。但是與單管正激相比雙管正激因為有兩個管子，需要兩套驅(qū)動裝置，因此它的這些有點是以電路復(fù)雜性為代價的。

3．2 磁芯復(fù)位電路

目前，正激電路磁芯復(fù)位技術(shù)主要有：輔助磁通繞組復(fù)位，LCD箝位復(fù)位，RCD箝位復(fù)位，有源箝位復(fù)位。

輔助磁通繞組復(fù)位是一種傳統(tǒng)的磁芯復(fù)位方法，電路原理圖如圖3所示，它增加了一個附加線圈，在開關(guān)管關(guān)斷的時候，磁化能量通過輔助磁通繞組回饋到電源，磁化能量無損。但是變壓器需要增加一附加線圈，繞制難度加大，同時體積也增大，而且，開關(guān)關(guān)斷后，變壓器的漏感將導(dǎo)致大的關(guān)斷尖峰電壓，需要附加抑止尖峰電壓電路。占空比不能超過0.5，不適合大功率輸出場合。

圖3 輔助磁通繞組復(fù)位電路

RCD箝位復(fù)位電路原理圖如圖4所示。開關(guān)管關(guān)斷后，磁化能量一部分轉(zhuǎn)移到開關(guān)管并聯(lián)電容Cs中，一部分消耗在箝位電阻R上。與輔助磁通繞組復(fù)位相比，RCD箝位復(fù)位電路結(jié)構(gòu)簡單，開關(guān)管關(guān)斷電壓箝位在Uc＋Uin，不會出現(xiàn)尖峰電壓，且占空比可以大于0.5，輸入電壓范圍可以很寬。它的缺點是大部分磁化能量消耗在箝位電阻R中，因此適合于廉價、效率要求不太高的功率變換場合。

圖4 RCD箝位復(fù)位電路

LCD緩沖網(wǎng)絡(luò)復(fù)位電路原理圖如圖5所示。開關(guān)管關(guān)斷后，磁化能量存儲在箝位電容Cc中，開關(guān)管關(guān)斷電壓箝位在2Uin，Lc中能量無損地回饋到電源。LCD箝位復(fù)位電路結(jié)構(gòu)簡單，開關(guān)管關(guān)斷電壓箝位固定，避免了尖峰電壓；而且不存在耗能元件，屬于無損復(fù)位，提高了電路變換效率；而且電路地可靠性高，通過選取適合地箝位電路元件值，可以保證電路工作在較寬地負載范圍內(nèi)，且箝位電容Cc的電壓值、電感Lc的電流峰值不改變。占空比最大為0.5，輸入電壓范圍受限，因此適合于中等功率高效變換場合。

圖5 LCD緩沖網(wǎng)絡(luò)復(fù)位電路

有源箝位復(fù)位電路原理圖如圖6所示。輔助開關(guān)VF1用來提供變壓器磁化能量的回饋路徑。主開關(guān)VF關(guān)斷后，部分磁化能量轉(zhuǎn)移到Cs中，致使VD開通，然后在VF1上加開通信號，實現(xiàn)零電壓開通，磁化電流一直下降到負向；VF1關(guān)斷后，磁化電感與Cs諧振，能量一部分回饋到電源，一部分轉(zhuǎn)移在磁化電感中；然后開通VF，開始新的周期。有源鉗位正激變換器具有如下特點：①變壓器磁化能量和漏感能量可重復(fù)利用；②開關(guān)管承受的電壓低；③開關(guān)管易實現(xiàn)零電壓開通，損耗??；④占空比ｄ可大于 0.5，適合于寬輸入電壓場合；⑤變壓器鐵心工作在一、三象限雙向?qū)ΨQ磁化，鐵心利用率高，銅損小。不足之處是它多用一個鉗位開關(guān)，增加了驅(qū)動電路難度和變換器成本。

圖6 有源箝位復(fù)位電路

3．3 組合變換電路

單個變換器有時候不能滿足輸出高電壓、大電流、大功率的應(yīng)用場合，這時就需要用到組合變換器，組合變換電路是在單個變換器的基礎(chǔ)上進行串連、并聯(lián)、串－并聯(lián)組合而成的。它可以在單管正激變換器的基礎(chǔ)上組合，也可以在雙管正激變換器的基礎(chǔ)上組合，因此其拓補結(jié)構(gòu)非常豐富。

4． 軟開關(guān)技術(shù)在正激電路中的應(yīng)用

傳統(tǒng)的正激電路工作在硬開關(guān)，當輸入電壓和開關(guān)頻率增大時，開關(guān)器件的損耗也越來越大。為了提高電路變換的整體效率，有必要使用軟開關(guān)技術(shù)，降低開關(guān)損耗，同時減少電磁干擾（EMI）。圖7為典型的ZVT-PWM變換器。它是在普通變換器的基礎(chǔ)上，配以電感、電容和輔助開關(guān)管組成的，使主開關(guān)與諧振電容并聯(lián)，利用電感和電容的諧振實現(xiàn)軟開關(guān)。其主開關(guān)實現(xiàn)了零電壓通斷，輔助開關(guān)為零電流開通、零電壓關(guān)斷。

圖7 典型的ZVT-PWM變換器

軟開關(guān)的實現(xiàn)減少了功率開關(guān)器件的開關(guān)損耗和電磁噪聲，使變換器得以高頻高效運行；同時也減小了開關(guān)管的電壓應(yīng)力和電流應(yīng)力。

目前正激變換器也趨向于使用軟開關(guān)技術(shù)，但是開關(guān)器件的開通和關(guān)斷并沒有完全實現(xiàn)軟開關(guān)，主開關(guān)和輔助開關(guān)沒有同時實現(xiàn)軟開關(guān)，或者其零電壓開通和關(guān)斷很大程度上依賴于電路參數(shù)和負載特性。

5． 結(jié)論

本文介紹了幾種正激電路的分類方法，對他們的結(jié)構(gòu)特點進行了比較。單管正激電路結(jié)構(gòu)簡單，但是承受的電壓應(yīng)力大，雙管正激電路復(fù)雜，每個管子承受電壓只有單管的一半，因此應(yīng)用的功率等級范圍大。在磁芯復(fù)位方法上，輔助磁通繞組復(fù)位電路復(fù)雜；RCD箝位復(fù)位電路簡單，輸入電壓范圍大，但是損耗大，變換效率低；LCD緩沖網(wǎng)絡(luò)復(fù)位電路簡單，變換效率高，但輸入電壓受限；有源箝位復(fù)位，開關(guān)管承受應(yīng)力不大，磁芯利用效率高，電壓輸入范圍也寬，且可以實現(xiàn)軟開關(guān)，損耗低，但是多一個功率管，增加了驅(qū)動和控制電路的復(fù)雜性。組合變換電路是在單管或者雙管單個變換電路的基礎(chǔ)上，組合而成的，多用于高電壓、大電流、大功率需求場合。軟開關(guān)變換器，開關(guān)管實現(xiàn)了軟開關(guān)，且能夠保持恒頻運行，不可能同時存在高電壓和大電流，開關(guān)所受的應(yīng)力和損耗最小，且開關(guān)噪聲低，是正激電路研究的方向，有很大的應(yīng)用前景，尤其在高壓高頻場合更能發(fā)揮其優(yōu)勢。

6． 預(yù)期的研究方向

目前，正激電路拓補結(jié)構(gòu)的研究比較成熟，各種電路拓補結(jié)構(gòu)似乎也很完備，因此它的一個發(fā)展方向就是順應(yīng)集成電路的發(fā)展，向少元件、少損耗、少EMI、小型化、輕型化的方向發(fā)展；另外，研制滿足微電子系統(tǒng)的低電壓、大電流要求的變換器，以及運用組合變換方式，研制滿足高電壓、大電流應(yīng)用場合的高效、高可靠性變換器也是一個發(fā)展方向。