凌躍勝，酉家偉，田 銳，徐 海

(1.河北工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院省部共建電工裝備可靠性與智能化國家重點實驗室，天津 300130；2.河北工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院河北省電磁場與電器可靠性重點實驗室，天津 300130)

反激變換器結(jié)構(gòu)簡單，成本低，易于控制，且能夠?qū)崿F(xiàn)電氣隔離，在小功率場合得到廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)反激變換器常用恒頻PWM 控制，開關(guān)方式為硬開關(guān)，開關(guān)頻率恒定，難以在負載大范圍變化時保持高效率。準(zhǔn)諧振模態(tài)在開關(guān)管端電壓最小處使開關(guān)管導(dǎo)通，重載時能夠保持較高效率，但開關(guān)頻率隨負載減小而上升，輕載時效率較低[1-4]；固定導(dǎo)通時間模態(tài)開關(guān)頻率隨負載減小而減小，在輕載時效率較高，但在重載時開關(guān)管工作頻率過高，開關(guān)損耗大[5-6]；單一工作模態(tài)只能在某一負載范圍內(nèi)具有較高效率，難以適應(yīng)負載劇烈變化。為使變換器在負載大范圍變化時仍能保持較高效率，本文提出一種多模態(tài)準(zhǔn)諧振DC/DC 變換器，在不增加主電路元件情況下，變換器工作模態(tài)隨負載變化而變化。當(dāng)負載由滿載減小至空載時，變換器工作模態(tài)依次經(jīng)歷準(zhǔn)諧振模態(tài)、斷續(xù)模態(tài)、固定導(dǎo)通時間模態(tài)以及burst 模態(tài)。本文對多模態(tài)準(zhǔn)諧振DC/DC 變換器工作原理以及不同工作模態(tài)進行分析，給出了變換器模態(tài)切換控制策略。試制一臺原理樣機，通過實驗驗證了多模態(tài)準(zhǔn)諧振DC/DC 變換器的可行性。

1 變換器工作原理

1.1 變換器主電路

變換器主電路如圖1 所示，電路主拓撲為反激結(jié)構(gòu)。圖2為電路工作狀態(tài)圖。

圖1 變換器主電路

圖2 電路工作狀態(tài)圖

t0～t1時段，開關(guān)管S1導(dǎo)通。輸入電源uin、勵磁電感Lm、開關(guān)管S1構(gòu)成回路，輸入電源uin對勵磁電感Lm進行充電。開關(guān)管端電壓為0。輸出電容Co對負載RL進行供電。

t1～t2時段，開關(guān)管S1關(guān)斷，一次側(cè)電感能量傳遞至二次側(cè)，副邊二極管Ds導(dǎo)通，副邊導(dǎo)通，副邊線圈對電容Co充電，并為負載供電。副邊電流isec下降。

t2～t3時段，t2時刻副邊電流isec下降為0，開關(guān)管輸出電容Coss與變壓器勵磁電感Lm之間產(chǎn)生諧振，由于電路中元件并非理想元件，諧振經(jīng)過一段時間后最終趨于穩(wěn)定。

1.2 多模態(tài)工作分析

前文分析了變換器的工作原理，不同模態(tài)下變換器工作過程相似。圖3 為不同模態(tài)下波形圖。圖中(a)、(b)、(c)分別對應(yīng)準(zhǔn)諧振模態(tài)、斷續(xù)模態(tài)以及固定導(dǎo)通時間模態(tài)。utri為開關(guān)管觸發(fā)脈沖，uds為開關(guān)管端電壓。

圖3 多模態(tài)波形圖

準(zhǔn)諧振模態(tài)：系統(tǒng)重載時，變換器工作于準(zhǔn)諧振模態(tài)，準(zhǔn)諧振模態(tài)波形圖如圖3(a)所示。當(dāng)二次側(cè)電流isec下降為0后，一次側(cè)變壓器電感(主要為變壓器主電感Lm)與開關(guān)管輸出電容Coss之間發(fā)生諧振。

諧振頻率為：

以t2時刻為起點，開關(guān)管兩端電壓為：

式中：uin為輸入電壓；n為變壓器變比；α為衰減系數(shù)。

開關(guān)管端電壓隨時間變化而改變，當(dāng)諧振經(jīng)過半個周期后電壓到達波谷位置，開關(guān)管端電壓為：

開關(guān)管端電壓由t2時刻的uin+nuo下降為uin-nuo，開關(guān)管端電壓明顯下降，控制開關(guān)管在此時開通，開關(guān)損耗將大大減小，變換器效率得到明顯提升。

開關(guān)管開關(guān)周期為：

式中：T1為變壓器磁化時間；T2為變壓器去磁時間；T3為變壓器主電感與開關(guān)管輸出電容的諧振時間。

準(zhǔn)諧振模態(tài)時，當(dāng)負載減小時，變壓器磁化時間T1與去磁時間T2減小，變壓器主電感與開關(guān)管輸出電容之間諧振周期不變，與此對應(yīng)的T3不變，因此在準(zhǔn)諧振模態(tài)下開關(guān)頻率隨負載減小而增大。

斷續(xù)模態(tài)：隨著負載不斷減小，變換器由準(zhǔn)諧振模態(tài)進入斷續(xù)模態(tài)，斷續(xù)模態(tài)下波形圖如圖3(b)所示，開關(guān)管仍舊在谷底位置開通。此時變換器開關(guān)頻率恒定，占空比隨負載減小而減小，通過改變占空比來調(diào)節(jié)輸出電壓。

固定導(dǎo)通時間模態(tài)：斷續(xù)模態(tài)之后隨著負載繼續(xù)減小，變換器進入固定導(dǎo)通時間模態(tài)，固定導(dǎo)通時間模態(tài)波形如圖3(c)所示，開關(guān)管在谷底位置開通，此時開關(guān)管開關(guān)頻率隨負載減小而減小，導(dǎo)通時間固定，通過改變開關(guān)頻率來調(diào)節(jié)輸出電壓。

Burst 模態(tài)：變換器在負載很輕或者空載時，變換器工作于Burst 模態(tài)，此時開關(guān)管工作時開關(guān)頻率固定在最小頻率fmin，開關(guān)管長期處于關(guān)斷狀態(tài)，開關(guān)損耗大大減小。

在多模態(tài)準(zhǔn)諧振變換器設(shè)計過程中，變壓器電感的設(shè)計直接關(guān)系到變換器的整體性能[7]。首先計算變壓器一次側(cè)電流峰值：

式中：Pout為輸出功率；uinmin為輸入電壓最小值；Dmax為最大占空比；η為變換器效率。

變壓器主電感為：

式中：tonmax為最大導(dǎo)通時間。

開關(guān)損耗主要有兩部分構(gòu)成[8]：一是開關(guān)過程中電壓電流重疊造成的交叉損耗PS1；二是開關(guān)容性損耗PS2。

式中：I為交叉點電流值；fsw為開關(guān)頻率。由上式可得兩類開關(guān)損耗均與開關(guān)管端電壓和開關(guān)頻率有關(guān)。

變換器由于具有多種工作模態(tài)，重載時，在準(zhǔn)諧振模態(tài)下在開關(guān)管端電壓處于谷底時開通開關(guān)管，減小開關(guān)管端電壓uds，減小開關(guān)損耗，輕載時通過降低開關(guān)頻率，減小開關(guān)損耗。因此多模態(tài)準(zhǔn)諧振DC/DC 變換器較傳統(tǒng)PWM 變換器能夠有效減小開關(guān)損耗。

2 控制策略

變換器各種模態(tài)之間的切換取決于負載大小，負載大小體現(xiàn)在輸出電壓。當(dāng)負載變大時，輸出電壓降低；當(dāng)負載減小時，輸出電壓升高。負載的大小轉(zhuǎn)化為輸出電壓大小，輸出電壓的微小變化經(jīng)放大后控制模態(tài)切換。變換器控制回路如圖4 所示。

圖4 變換器控制回路示意圖

變換器采用電壓電流雙閉環(huán)控制并輔助谷底檢測。電壓電流雙閉環(huán)控制開關(guān)管的關(guān)斷，谷底檢測部分控制開關(guān)管的開通。通過輔助繞組檢測到開關(guān)管端電壓的谷底位置，并控制開關(guān)管在此位置開通，以減小開關(guān)損耗。電流iS1為流過開關(guān)管的電流，Vo為輸出電壓。輸出電壓與參考電壓進行比較后經(jīng)過PI 環(huán)節(jié)得到電流參考值。開關(guān)管電流iS1與參考電流比較后得到復(fù)位信號。當(dāng)開關(guān)管電流iS1大于電壓環(huán)確定的參考電流時關(guān)斷開關(guān)管。

當(dāng)負載變大，輸出電壓下降時，由電壓外環(huán)確定的參考電流增大，開關(guān)管導(dǎo)通時間增加，關(guān)斷時間減小，輸入能量增加，使得輸出電壓回升；當(dāng)負載減小，輸出電壓增大，由電壓外環(huán)確定的參考電流減小，開關(guān)管導(dǎo)通時間減小，關(guān)斷時間增大，輸入能量減小，使輸出電壓減小。

準(zhǔn)諧振模態(tài)：該模態(tài)下開關(guān)管開關(guān)頻率隨負載減小而升高，由電壓外環(huán)確定的參考電流隨輸出電壓的變化而變化，參考電流不固定。

斷續(xù)模態(tài)：該模態(tài)為準(zhǔn)諧振和固定導(dǎo)通時間模態(tài)之間的過渡狀態(tài)，當(dāng)負載減小，變換器由準(zhǔn)諧振模態(tài)向斷續(xù)模態(tài)過渡時，開關(guān)頻率不斷上升，進入斷續(xù)模態(tài)后開關(guān)頻率固定為fmax，通過調(diào)節(jié)占空比來調(diào)節(jié)輸出電壓。

固定導(dǎo)通時間模態(tài)：隨著負載不斷減小，輸出電壓變大，當(dāng)進入固定導(dǎo)通時間模態(tài)后，由電壓外環(huán)整定的參考電流被限幅環(huán)節(jié)固定，不隨輸出電壓的增大而變化，因此開關(guān)管導(dǎo)通時間恒定，此時電壓外環(huán)主要負責(zé)改變頻率，當(dāng)負載變化時通過調(diào)節(jié)開關(guān)管的開關(guān)頻率來調(diào)節(jié)輸出電壓，開關(guān)頻率隨負載減小而降低，最終下降至最小開關(guān)頻率fmin。

Burst 模態(tài)：該模態(tài)下參考電流仍舊為固定值，輸出電壓采用滯環(huán)控制，變換器間斷性工作。當(dāng)輸出電壓過低時，變換器工作，此時開關(guān)頻率固定為fmin，工作一段時間后輸出電壓升高超過閾值變換器停止工作，開關(guān)管保持關(guān)斷狀態(tài)，關(guān)斷狀態(tài)甚至長達數(shù)分鐘。由此避免了傳統(tǒng)恒頻PWM 反激電源在空載時，開關(guān)管仍舊以固定頻率開斷造成開關(guān)損耗，以及RCD 不斷充放電使效率降低。

3 實驗驗證

為驗證理論的正確性，試制一臺24 V/2 A 的原理樣機，輸入電壓為200 V，反激變換器勵磁電感為Lm為1.2 mH，磁芯選用PC95 材質(zhì)，匝比為4.5/1，開關(guān)管選用IPP60R074C6，電容C1和輸出濾波電容C0分別為20和10 μF。

圖5 為多模態(tài)準(zhǔn)諧振DC/DC 變換器開關(guān)管端電壓波形圖及輸出電壓波形。輸出電壓均穩(wěn)定在24 V 左右。圖5(a)為變換器工作在準(zhǔn)諧振模態(tài)時開關(guān)管端電壓波形，開關(guān)管在第一個谷底處開通，多模態(tài)準(zhǔn)諧振DC/DC 變換器處于準(zhǔn)諧振模態(tài)，開關(guān)頻率為50 kHz。圖5(b)為變換器工作在斷續(xù)狀態(tài)下開關(guān)管波形圖，開關(guān)管在第二個谷底處開通，開關(guān)頻率為100 kHz。圖5(c)為變換器工作在固定導(dǎo)通時間模態(tài)時開關(guān)管端電壓波形，開關(guān)管仍舊在谷底處導(dǎo)通，開關(guān)頻率為70 kHz。圖5(d)為變換器在Burst 模態(tài)下的開關(guān)管端電壓波形圖，由圖可見開關(guān)管處于間斷工作狀態(tài)，大部分時間處于關(guān)斷狀態(tài)，工作時開關(guān)頻率為40 kHz，減小了開關(guān)損耗。

圖5 多模態(tài)開關(guān)管端電壓波形及輸出波形

圖6 為多模態(tài)準(zhǔn)諧振DC/DC 變換器效率曲線。圖中對比了多模態(tài)準(zhǔn)諧振DC/DC 變換器與傳統(tǒng)PWM 反激變換器的效率。由圖可知多模態(tài)準(zhǔn)諧振DC/DC 變換器主要提高了輕載時的變換效率，在重載范圍內(nèi)由于工作在準(zhǔn)諧振模態(tài)，變換效率也有所提高。

圖6 效率對比曲線

4 結(jié)論

為解決反激電源在負荷大范圍變化時變換器效率低的問題，提出一種多模態(tài)準(zhǔn)諧振DC/DC 變換器，通過引入多種工作模態(tài)，根據(jù)負載的變化切換工作模態(tài)，負載由滿載到空載，變換器依次工作在準(zhǔn)諧振模態(tài)、斷續(xù)模態(tài)、固定導(dǎo)通時間模態(tài)以及Burst 模態(tài)，使得變換器在不同負載條件下均能獲得比較高的轉(zhuǎn)換效率。對多模態(tài)準(zhǔn)諧振DC/DC變換器的工作原理、控制方法進行介紹，最后試制實驗樣機。實驗表明變換器能夠隨負載變化工作在不同工作模態(tài)，開關(guān)管能夠在谷底位置處開通，通過在重載時降低開關(guān)管兩端電壓以及輕載時降低開關(guān)頻率來減小開關(guān)損耗，使得變換器在輕載時效率得到明顯提升，驗證了多模態(tài)準(zhǔn)諧振DC/DC變換器的可行性。