1、 一种推挽正激电路在低压大电流场合中，推挽电路以其结构简单、磁心利用率高的优点而得到了广泛应用。但是，传统的推挽电路存在如下几个缺点：（1）由于原边漏感的存在,功率管关断时,漏源极产生较大的电压尖峰；（2）输入电流纹波的安秒积分大，因而输入滤波器的体积较大。 本文在传统推挽电路的基础上增加了一个箝位电容 C,得到如图 1 所示的新型推挽正激电路拓扑。该电路可以解决上文所述的传统电路存在的两个缺点。图 1：新型推挽正激电路拓扑2. 推挽正激电路工作原理 如图 1 所示为推挽正激变换器。该变换器的两个主功率开关管 V1、V2 和两个匝数均为 Wp 的初级绕组 Tp1、 Tp2 交替连接成一个回路，
2、在回路的两个中点之间连接一个箝位电容 C。Cin 为输入电容, Dv1 、Dv2 为 V1 、V2 寄生的反并二极管。D1、D2 组成双半波整流电路。 电源正原边绕组 Tp2箝位电容 C原边绕组 Tp1电源负构成一个回路。忽略 变压器漏感则加在变压器原边两个绕组的电压之和为零，箝位电容上的电压为 Uin ，下正上负。另外一个回路：电源正V1箝位电容 CV2电源负。根据基尔霍夫电路定律可得： Uds1+Uds2=Uin+Uc2Uin 因此， 当某一开关管导通时，另一开关管的电压被箝位在 2Uin ;当两个开关管均关断时 ,开关管电压各为 Uin。在分析推挽正激电路工作模态前，我们做如下设定： （
3、1） 开关管 V1、V2 均为理想器件，整流二极管 D1、D2 为理想器件，导通压降忽略不计； （2） 箝位电容 C 较大，在工作过程中两端电压保持 Uin 基本不变 ； （3） 滤波电感 Lf 较大，在较短的时间内可以视为恒流源，电流维持不变；稳态时输出电流 Io=Uo/R; （4） 原边绕组匝数同为 Wp,励磁电感和漏感均相同为 Lm、L ,副边匝数同为 Ws,匝比 n=Ws/Wp; （5） 开关周期 Ts, V1、V2 每个周期开通时间均为 Ton ，V1、V2 工作的占空比均为：DTon/Ts;图 2 为推挽正激电路工作原理波形图，一共分为 8 个工作模态。图 2 PPF 工作原理波形
4、图1) t1t2 在 t1 之前开关管 V1、V2 都是关断的，输入电流沿回路：电源正原边绕组 Tp2箝位电容 C原边绕组 Tp1电源负环流工作，环流为 Ia=nDIo 1(具体分析在第 3 节中给出)。原副边绕组电压为0，整流二极管 D1、D2 同时导通。t1 时刻 V1 开通， Uin 加在绕组 Tp1 的漏感上，I1 快速增加；Uc 加在绕组 Tp2 的漏感上，I2 迅速减小并反向增大。相应的，在副边流过 D1 电流 ID1 增大，流过 D2 的电流 ID2 减小。t2 时刻，D2 截止 ID20。此模态等效电路图如图 3a,持续时间：其中，ILfmin 为 t1 时刻滤波电感电流。2）
5、t2t3 当 D2 截止时，该工作模态开始工作，电源电压 Uin 加在绕组 Tp1 的励磁电感和漏感上，Uc 加在绕组 Tp2 的励磁电感和漏感上，原边两绕组各承担励磁电流和负载电流变化率的一半，这时初级相当于两个单端正激电路并联工作2-4。I1 增加，I2 反向增大。工 作模态如图 3b,持续时间：3) t3 t4 V1 关断时该工作模态开始工作。在此之前 I1 始终大于 I2，因此在 V1 关断瞬间 V2 的反并二极管Dv2 导通。同时，流过 D1 的电流 ID1 减小，流过 D2 的电流 ID2 从零开始增加，副边绕组短路工作。电容电压 Uc 加在绕组 Tp1 的漏感上，Uin 加在绕组
6、 Tp2 的漏感上，I1 迅速减小，I2 迅速增加。 当 I1=I2 时该工作模态结束。等效的工作模态电路如图 3c，持续时间：其中，ILfmax 为 t3 时刻滤波电感电流。4) t4t5 在此期间，V1 和 V2 都关断。漏感平均电流（环流）Ia 经过回路电源正原边绕组 Tp2箝位电容C原边绕组 Tp1电源负流动。由于电源电压和箝位电容电压相等，加在原边两个绕组上的电压均为零，则环流 Ia 保持不变。等效的工作模态如图 3d,持续时间：5)t5t9 V2 导通开始下半个周期的工作，工作模态和上半个周期相同，只是励磁电流的方向相反，完成变压器的去磁。3.环流分析 设该推挽正激变换器无功率损耗
7、，根据系统能量守恒定律可得，在半个周期 Ts/2 内电源输入功率 为了分析问题的简便，我们假设以下理想条件成立： (1) 原边两个绕组换流瞬间完成，即：(2) 励磁电感 Lm 和滤波电感 Lf 较大，励磁电流为零，Lf 可以看作恒流源，求得: 输出功率： 联立以上两式， Ia=nDIo 由此可见，当电路的工作占空比 D 大，原边环流时间短，环流量值较大；随着输出功率的增加，环流值也增大。 4.主要参数对电路工作的影响分析 4.1. 箝位电容 C 的作用与选取 箝位电容的两个主要作用： 1) 抑制开关管关断电压尖峰 如图 1，在开关管 V1 关断时，由箝位电容 C 给变压器原边漏感提供一个 Dv
8、2CTp1 的低阻抗能量释放回路。将 V1 的漏源极电压箝位在 Uin+Uc, 因而开关管的电压尖峰得到了有效的抑制。箝位电容在开关管全关断时储存电能，在导通时将能量释放给负载，理论上，无能量损耗。 2) 减小输入滤波器体积 与传统的推挽电路相比，推挽正激电路中的箝位电容为开关管关断期间提供一个续流回路。正是由于续流回路的存在使推挽正激电路工作的输入电流纹波的安秒积分较其它拓扑小。因此，可以减小输入滤波器的体积。 箝位电容的选取： 根据前文的分析，箝位电容 C 的电压脉动Uc 由环流期间的充电量决定的： 一般地，电路工作周期 Ts、最大负载电流 Io、变压器匝比 n 在设计前就已经确定了。在工
9、程实际中，取Uc20Uin,因此，根据占空比 D 的工作范围可以计算出所需的电容值。同时，为了减小电容 ESR 的影响，一般采用多个薄膜电容并联的方案。4.2.变压器漏感对 PPF 工作的影响 对于理想的变压器，变压器的漏感 , 无论哪个功率管关断时，变压器绕组电流瞬间减小到0。在两个开关管均关断期间无环流。实际上，任何变压器都存在漏感，在推挽正激电路中，两个开关管均关断瞬间，原边漏感的能量通过回路：Uin 正Tp2箝位电容 CTp1Uin 负给电容 C 充电形成环流，在箝位电容上产生了电压脉动。同时,减小原边漏感可以减小功率管开通时的换流时间,也既是减小了占空比的丢失,从而提高了变压器的利用
10、率,减小了电路工作的损耗。 以上分析可见，减小漏感可提高系统的效率。因此，变压器常采用原副边间绕的方法来减少漏感。 5仿真和实验 5.1.仿真分析 基于上文的分析，对 PPF 的工作进行了原理性的仿真。仿真主电路如图 1 所示。仿真主要参数：Uin=28v, C=70uF，n=6, Io=10A, Lf =160u, Cf =680u400v2, Ts=20us。 图 4 为输出电流 Io=10A，占空比 D 分别为：0.1、0.25、0.4 时对应的箝位电容 C 电压脉动Uc 仿真波形图。由此可见，当 D=0.25 时Uc 最大。 图 4 占空比 D 大小和Uc 关系仿真波形图图 5(a)为
11、原边激磁电感 Lm=12uF,漏感 时仿真波形图;图 5(b)为原边激磁电感 Lm=12uF,漏感 0 时仿真波形图。仿真结果表明， 0 时输入电流不存在环流过程。图 5 输入电流仿真波形图5.2.实验结果 根据有关技术要求，研制出了一台输入 24V32VDC,输出 120VDC 的 2kW DCDC 变换器。系统参数：开关频率：fs50kHz；主功率开关管：IXTK180N15; 整流二极管：DSEP6006A；箝位电容 C=70uF;滤波电感 Lf =160uH;滤波电容 Cf =680uF/400v2；主变压器匝比：n=6，磁心：EE552。 图 6 为额定负载下实验波形图，其中图 6（
12、a）是原边绕组电流波形图：ch1：开关管 V1 驱动信号波形, ch2：开关管 V2 驱动信号波形, ch3：绕组 Tp1 电流波形 I1, ch4：绕组 Tp2 电流波形 I2; 图6（b）开关管漏源极波形图: ch1：开关管 V1 的驱动信号,ch2：开关管 V2 源漏极电压波形,ch3：开关管 V2 的驱动信号,ch4：开关管 V2 源漏极电压波形。图 6 实验波形验证了上述理论分析的正确性。图 6（a） 驱动和原边绕组电流波形图ch1: 50V/格 ch2: 50V/格 ch3: 50V/格 ch4: 50V/格图 6（b）功率管漏源极电压波形图图 7 为输出电流 Io16A 时原边绕
13、组电流和箝位电容电压脉动波形图：ch3：绕组 Tp1 电流波形 I1，ch4：绕组 Tp2电流波形 I2，ch1：箝位电容电压脉动Uc 波形。实验波形充分说明了第 3 节环流分析结论和第 4.1.节中箝位电容选取原则理论的正确性。 ch3:80A格，ch4: 80A格,ch1:5v格 图 7（a ） Uin24v，Io=16A,D=0.45 ch3:80A格，ch4: 80A格,ch1:5v格 图 7（b） Uin 32v，Io=16A,D=0.325 图 7 D 不同时原边环流和箝位电容脉动波形图 图 8 为 2kW DCDC 变换器效率分布曲线，该变换器的效率可达 93.2。图 8 效率分布曲线6. 结论 仿真分析和实验结果验证了本文中理论分析和公式推导的正确性，表明推挽正激电路应用于该变换器中具有以下优点：（1）抑制了开关管漏源极电压尖峰，降低了开关管的电压应力和功率损耗 5，整机效率高；（2）变压器双向磁化，磁利用率高；（3）输入电流纹波安秒积分较其它拓扑小，减小了输入滤波器体积。该变换器尤其在低压大电流场合中具有很高的工程实用价值。
