電感分裂式推挽換向軟開關技術的研究

摘要：提出一種電感分裂式推挽換向軟開關電路，分析該電路的工作原理及實現軟開關的條件，仿真結果表明該電路控制簡單、性能可靠，特別適用于中、小功率場合。

關鍵詞：電感分裂式推挽換向軟開關仿真

中圖法分類號：TM1文獻標識碼：A文章編號：0219?2713(2000)09?481?03

1引言

　　推挽電路因控制簡單、無直通現象等優點，在中、低電壓輸入變換器中得到廣泛應用，但推挽電路中兩個開關管處于硬開關狀況，隨著開關頻率的增高，開通功耗較大[1]。橋臂換向軟開關在橋式變換器（包括半橋變換器）中得到廣泛應用，如移相全橋軟開關電路[2]，但橋臂換向軟開關無法在推挽電路中應用，雖然文獻[3],[4]對推挽軟開關作過探討，但它只能應用于雙管推挽電路，且增加一只開關管的導通損耗，這對低電壓輸入的推挽電路是不適宜的。

　　針對這種情況，本文通過分裂次級直流濾波電感，再將其等效到初級實現推挽電路的零電壓開通軟開關技術。

2電路拓樸結構及工作原理

2．1主電路拓樸結構

　　電感分裂式推挽換向軟開關的主電路結構及其開關管的控制方式如圖1（a）及圖1（b）所示。它與一般的推挽電路不同之處有兩點：一是次級濾波電感分裂為兩個（L1=L2=L），二是變壓器次級給出兩個去磁繞組LN3、LN4，它與V3、V4、L1、L2一起構成去磁回路。

2．2工作原理

　　其電路可分為如下幾個工作過程：

　　（1）t0～t1階段，即開關管S1導通期間，變壓器次級LN2產生下正上負的感應電壓，變壓器向負載傳輸能量，此時變壓器次級LN2、二極管V2、電感L2和負載形成回路。t1時刻，S1關斷，S1兩端電壓被電容C1箝位不能突變，所以S1是軟關斷。

　　（2）t1～t2階段，t1時刻，S1關斷，LP2、GB、V6形成初級勵磁泄放回路。同時在LN3兩端產生上正下負的感應電壓，此時二極管V3導通，電感L2、與負載R和變壓器次級LN3形成iL2續流回路。t2時刻，S2被驅動。設此時iL2電流未泄放到零，初級V6仍為導通狀態，S2兩端電壓為零，是零電壓開通。

　　（3）t2～t3階段，仍是iL2續流階段，t3時刻，iL2泄

(a)主電路圖(b)開關管的控制信號

圖1主電路及開關管的控制信號圖

圖2主電路的等效拓樸結構

（a）t0～t1階段(b)和t1～t1階段

放完畢。

　　（4）t3～t4階段，t3時刻，iL2=0，LP2上電流換向，變壓器次級繞組LN1兩端產生上正下負的感應電壓，二極管V1導通。

　　t4時刻以后，重復上半周工作過程。

　　綜合上述過程，可以看出該電路實現軟開關的基本原理及特點：

　　（1）在S1、S2都不導通期間（t1～t2,t4～t5），L1（L2）的續流電流耦合到初級，形成V5、V6換向電流，這個電流能維持到S1、S2的驅動脈沖到來，就可以實現零電壓開通。

　　（2）分裂的L1、L2電流疊加對負載為連續狀態。故L1、L2的綜合效果是一直流濾波電感，但單個電感L1或L2的電流在整個周期是不連續的，在S1或S2開通期間呈交流電感性質，所以它和橋臂換向性串聯在初級的電感所起的作用一樣。

3基本關系式

3．1主要關系式

　　依據上述電路的工作過程，得到各換向階段的等效電路如圖2所示。

　　（1）t0～t1階段：變壓器傳輸能量階段，此時的等效拓樸結構如圖2（a）所示。　　圖中是變壓器初級漏感和次級電感的等效電感，為變壓器次級負載折合到初級的等效負載，為變壓器次級電容折合到初級的等效電容，則流過等效負載和等效漏感的電流iL2滿足方程：(1)

電路的初始條件為：iL2（t0）=0UC（t0)=Umin

可求得該電路的解為：(2)式中

　　（2）當t1～t3階段：續流階段，其等效電路為圖2（b）所示。

次級回路的狀態方程為：（3）

邊界條件：iL（t2）=ILP，uC（t2）=UOP（ILP為峰值電流，UOP為峰值電壓）。若電路是理想的，即，這里假設uC（t）=常數,則求解式（3）得到：（4）

iL2的續流時間為：(5)

3．2問題及分析

　　（1）由式（5）可以看出，只要△t>(t3－t1)時,電路就可實現零電壓軟開關技術。

　　（2）由等效電路圖2（b）及式（2）可以看出L1（L2）在電路中實質上起到了橋臂換向中的換向交流電感作用，因此它也存在占空比丟失問題[4]。

　　（3）由于L1（L2）的開通電流與續流電流的等效回路參數基本相同，當NLN3=NLN1=NLN2時，極易造成初級S1（S2）電流為鋸齒波電流，它加大了開關器件的電流應力。雖然可以通過改變(NLN1/NP)的比值來改變續流時間△t，但不是理想辦法。如何構造一個可控的電感L1（L2）是該電路進一步改進的方法。

4仿真結果

圖3相關的電壓、電流和驅動波形

圖4開關管功耗與負載功率

　　為了檢驗本文提出的電感分裂式推挽換向軟開關電路的工作狀況，運用PSPICE電子線路仿真軟件進行了仿真。

　　仿真所用電參數為：

　　電感L1=L2=0．1mH，電容C5=C6=0．6μF，負載R=10Ω。

　　圖3給出了仿真時開關管的電壓、電流及S2的驅動波形。圖4給出了開關管的功率損耗波形及輸出平均功率波形。

　　由圖3（d）可以看出開關管的電壓為零時，開關管才開通，即零電壓開通，此時如圖3（b）所示開關管電流為零，圖3（c）為變壓器次級電感LN3的電壓波形，圖3（a）為電感L1、L2的電流波形，可以看出電感電流在換向期間，變壓器次級電壓的變化情況。

　　圖4為開關管的功耗分析，從圖4（a）及（b）可以看出，當開關管開通時，開關管功耗為零，計算圖4（a）及（b）的功耗，其開關管的功耗很小，可見其效率很高。

5結論

　　本文提出的這種電感分裂式推挽換向軟開關技術，具有其優點，特別適用于中、低功率場合，但由于存在占空比丟失現象，如何形成可控電感L1（L2），有待于進一步研究。

參考文獻

1關宇東，張群.PWM相位調制集成片ML4818及其應用.電力電子技術，1995；（2）

2張國安，朱忠尼.一種新型的移相推挽式軟開關技術的研究.全國電工技術年會電力電子學會第6次全國學術會議文集

3張國安、朱忠尼?一種雙管推挽諧振軟開關研究?電力電子技術?1997;(4)

4楊旭，王兆安.一種零電壓過渡全橋軟開關電路的研究.全國電工技術年會電力電子學會第6次全國學術會議文集