雙正激變換器軟開關(guān)拓撲的分析與評價

摘要：雙正激變換器廣泛應用于中、大功率場合,為了提高變換器的功率密度和效率,必須提高開關(guān)頻率并減少開關(guān)損耗,這就要求開關(guān)管工作在軟開關(guān)方式。本文系統(tǒng)的分析了雙正激變換器軟開關(guān)拓撲的主要工作原理、優(yōu)缺點和應用場合，并選取一種新型的雙正激軟開關(guān)組合變換器拓撲作為高壓直流輸入航空靜止變流器的DC/DC級拓撲，成功研制了一臺4KW的原理樣機，并給出了實驗結(jié)果。 敘詞：雙正激變換器；組合變換器；軟開關(guān) Abstract：The dual-switch forward converter is widely adopted in medium to high power applications. To achieve high power density and high efficiency, switching frequency must be greatly increased, and meanwhile, switching losses must be reduced. As a result, soft-switching techniques must be adopted. This paper presents a detailed review of these techniques. The main operation principles、merits、limitations and applications of these soft-switching topologies are analyzed. Based on the analysis and evaluation, a novel dual-switch forward combined converter is taken as the DC/DC converter for high voltage dc input Aeronautic Static Inverter. A 4KW prototype is successfully developed, and the experimental results are also included in this paper. Keyword：Dual-switch forward converter；Combined converter；Soft-switching

1. 引言

　　雙正激變換器克服了正激變換器中開關(guān)電壓應力高的缺點，每個開關(guān)管只需承受輸入直流電壓，不需要采用特殊的磁復位電路就可以保證變壓器的可靠磁復位。它的每一個橋臂都是由一個二極管與一個開關(guān)管串聯(lián)組成，不存在橋臂直通的危險，可靠性高。因此雙正激變換器具有其它變換器無法比擬的優(yōu)點，成為目前中大功率變換器中應用最多的拓撲之一。雙正激組合變換器通過對雙正激變換器進行并、串組合，可以克服其占空比只能小于0.5的缺點，提高變壓器的利用率和變換器的等效占空比，適合應用于高輸入和輸出電壓的大功率場合[1,2] 。

　　現(xiàn)代電源的發(fā)展方向是高頻化、小型化、模塊化、智能化，實現(xiàn)變換器的高功率密度、高效率和高可靠性。提高開關(guān)頻率，減小磁性元件的體積和重量是提高變換器功率密度的有效措施。但是在硬開關(guān)狀態(tài)下工作的變換器，隨著開關(guān)頻率的上升，一方面開關(guān)器件的開關(guān)損耗會成正比地增大，無源元件的損耗大幅度增加,效率大大降低；另一方面，過高的dv/dt和di/dt會產(chǎn)生嚴重的電磁干擾(EMI),影響變換器的可靠性。為了改善高頻變換器開關(guān)的工作條件,減小開關(guān)損耗和電磁干擾,各種軟開關(guān)技術(shù)應用而生，包括無源軟開關(guān)技術(shù)與ZVS/ZCS諧振、準諧振、ZVS/ZCS-PWM、ZVT/ZCT-PWM等有源軟開關(guān)技術(shù)。

　　近年來國內(nèi)外廣大學者對雙正激及其組合變換器的軟開關(guān)技術(shù)進行了大量的研究。軟開關(guān)拓撲大體上可分為三類，即應用無源輔助電路的無源軟開關(guān)拓撲；應用有源輔助電路的有源軟開關(guān)拓撲；不需輔助電路的軟開關(guān)拓撲。本文系統(tǒng)地分析了這三類軟開關(guān)拓撲，指出各種拓撲的特點和適用場合，給出簡單的分析和評價，并選擇了一種新型的ZVS雙正激組合變換器，作為高壓直流輸入航空靜止變流器DC/DC級拓撲，成功研制了一臺4KW的雙正激組合變換器，滿載時效率高達95.51%。

2. 應用無源輔助電路的無源軟開關(guān)拓撲

2.1　原邊箝位型ZVZCS雙正激變換器

　　文獻[3]提出了一種原邊箝位型ZVZCS雙正激變換器如圖1所示。原邊箝位電路由輔助電感Lr和兩個箝位二極管D3、D4組成。

圖1 原邊箝位型ZVZCS雙正激變換器