推挽變換器在軟開關與硬開關工作模式下的比較研究

摘要：對于工作在軟開關和硬開關兩種模式下的推挽結構的DC/DC變換器作了比較研究，分析了它們各自的優缺點，并從工程應用角度出發，研制了一臺300W的DC/DC變換器。

關鍵詞：推挽變換器；串聯諧振；軟開關；硬開關

1 引言

在DC/DC升壓式電路中，通常采用的拓撲結構有Boost、BuckBoost和推挽三種。而當輸入電壓比較低（如單節蓄電池供電時僅12V），功率不太大的情況下，一般優先采用推挽結構。

硬開關在推挽電路中應用已比較成熟，本文先針對硬開關技術，分析其在工程應用中存在的弊端，進而引入軟開關技術^[2,3,4]，并作一比較分析。最后，按照產品設計要求，研制了一臺300WDC/DC變換器。結果表明，運用這種拓撲結構設計的升壓變換器具有諸多優點。

2 硬開關電路

2.1 工作原理

圖1為推挽式硬開關電路的工作原理圖^[1]。它有3種工作模式：

圖1 硬開關電路原理圖

模式1 Q₁導通，Q₂截止，原邊電流流經Q₁，同時變壓器副邊電流通過D₁和D₄向負載供電；

模式2 Q₂導通，Q₁截止，原邊電流流經Q₂，同時變壓器副邊電流通過D₃和D₂向負載供電；

模式3 Q₁和Q₂都截止，原邊不向副邊傳輸能量，則負載的能量來自副邊的濾波電感L和濾波電容C。

2.2 分析

圖2和圖3是變換器工作時功率管兩端的電壓波形。由于電感的原因，功率管導通電壓降呈鋸齒波形，見圖3中的v_dson。

圖2 功率管工作波形

圖3 功率管導通電壓降

變換器工作條件如下：

V_i=12V，V_o=200V，I_o=1.5A；

f_s=50kHz，L=200μH，R₁=R₂=10Ω/2W，

C₁=C₂=0.01μF，功率管為BUZ100SL。

測得整機效率僅為74％，且功率管發熱比較嚴重。通過改變吸收電路參數，并聯功率管，調節輸出濾波參數顯示，并聯功率管和適當增加L值可以明顯提高整機的效率（見表1）。具體分析如下：

1）增大吸收電容，可以降低功率管關斷時的沖擊電壓，減小功率管的關斷損耗，但通過吸收電容轉移過來的能量必須由吸收電路中的功率電阻在一個開關周期內給消耗掉，故整機效率還是沒有提高，只是實現了功耗的轉移。

2）并聯功率管時，開關導通電阻減小，在導通電流不變的情況下，開關的導通損耗下降，整機效率得以提高；

3）增大輸出濾波電感時，折算到原邊的電感也隨之增大，由L=V_i可知，此時流經功率管電流的變化率降低，電流的峰值下降，則開關的導通損耗也隨之下降。但當電感增大到一定值時，由于電感自身損耗的增加大于開關導通損耗的減小，則整機效率反而下降。

表1 硬開關時效率隨參數變化情況

3 軟開關電路

3.1 工作原理

圖4為軟開關電路的原理圖，圖5是理想工作波形。它有4種工作模式：

圖4 軟開關電路原理圖