石方園，李佳俊

（1．黑龍江科技大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱，150022；2．上海富山精密機(jī)械有限公司，上海，201500）

0 引言

隔離型DC/DC變換器是因?yàn)殡娐分屑尤敫哳l變壓器，使得前后級(jí)被電氣隔離，這類變換器解決了輸入輸出壓差大的問題，從而提高了供電的安全性和電磁兼容性[1]，較為常用的是反激和正激變換器，其中正激變換器在中功率場(chǎng)合有較為廣泛的應(yīng)用，然而單管正激變換器的開關(guān)管關(guān)斷時(shí)所承受的壓降為輸入電壓的2倍，對(duì)于輸入電壓較高的場(chǎng)合而言開關(guān)器件的選擇較為困難，與此同時(shí)因?yàn)樽儔浩鲀?nèi)部的電感電流不能突變因而還需要磁復(fù)位繞組，進(jìn)一步使得電路的設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，為了實(shí)現(xiàn)低壓大電流的功率輸出本文設(shè)計(jì)并驗(yàn)證了一種雙管正激變換器拓?fù)洌藭r(shí)電路中雖然多了一個(gè)開關(guān)管和二極管，但是卻使開關(guān)管的關(guān)斷壓降的最大值降為輸入電壓，而且由于二極管的存在使得電路不在需要磁復(fù)位繞組[2-3]。

1 電路結(jié)構(gòu)及工作原理

經(jīng)典的雙管正激變換器主電路拓?fù)淙鐖D1所示，主電路拓?fù)溆筛哳l變壓器T、全控型開關(guān)器件Q1和 Q2，二極管 D1-4、濾波電感 L、濾波電容C1、負(fù)載 RL組成[4]。然而由于二極管通態(tài)電阻大，對(duì)于低壓大電流輸出時(shí)電路的損耗大，因而同步整流技術(shù)備受關(guān)注，其主要是利用電力開關(guān)管取代整流二極管，由于電力開關(guān)管的通態(tài)電阻小因而能夠降低電路的損耗，根據(jù)工作原理的不同可分為電壓型驅(qū)動(dòng)與電流型驅(qū)動(dòng)，其中電流型驅(qū)動(dòng)需要設(shè)計(jì)復(fù)雜的電流互感器，而且磁復(fù)位繞組在復(fù)位時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大電壓尖峰，這使得二極管的電壓應(yīng)力增加不利于二極管選型，同時(shí)還是帶來(lái)嚴(yán)重的EMI問題，相比之下電壓型驅(qū)動(dòng)不僅簡(jiǎn)單可靠，而且不存在死區(qū)期間二極管損耗問題，因而使用較為廣泛，本文也采用了電壓型驅(qū)動(dòng)模式[5]，如圖2所示。

圖1 雙管正激拓?fù)?/p>

圖2 同步整流拓?fù)?/p>

為方便下文分析現(xiàn)假設(shè)電路中所有的元器件均為理想元件，開關(guān)管Q1和Q2同時(shí)導(dǎo)通或者關(guān)斷，圖3是開關(guān)管Q1和Q2導(dǎo)通和關(guān)斷的等效電路模型圖，圖4是電路的主要工作波形圖[3]。

圖3 等效電路

圖4 主要波形

由3(a)可知，當(dāng)Q1和Q2導(dǎo)通時(shí)，此時(shí)電源通過(guò)Q1和Q2變壓器的原邊將能量耦合到副邊向負(fù)載端供電，此時(shí)電感進(jìn)行儲(chǔ)能，電感電流iL線性增加[6]。

由3(b)可知，當(dāng)Q1和Q2關(guān)斷時(shí)，由于電感電流無(wú)法突變，此時(shí)變壓器原邊中的能量無(wú)法通過(guò)副邊向負(fù)載供電，只能通過(guò)二極管D1和D2將能量回饋給電源側(cè)，因而相較于單管正激電路不需要磁復(fù)位繞組，此時(shí)電感對(duì)負(fù)載放電，則電感電流iL線性下降[6]。

2 主要器件計(jì)算分析

2.1 主變壓器設(shè)計(jì)

主變壓器選用的是EE40型號(hào)的磁芯材料，根據(jù)計(jì)算公式可知原邊的計(jì)算匝數(shù)為：

式中VinMin——輸入電壓的最小值；

DMax——占空比的所取最大值；

Ae——EE40磁芯的有效截面積；

ΔBm——磁化曲線的磁擺幅；

f——功率器件的開關(guān)頻率。

求出變壓器的匝數(shù)比，考慮二極管的管壓降Vf，則由公式(2)可求出匝數(shù)比：

求得匝數(shù)比之后根據(jù)原邊匝數(shù)則可算出副邊匝數(shù)的數(shù)值，便根據(jù)需要取額定數(shù)值，同時(shí)將取副邊匝數(shù)值再次代入到式(2)中，求出原邊得匝數(shù)，并根據(jù)需要進(jìn)行選擇。

2.2 濾波電感計(jì)算

假定電感電流的波動(dòng)為ΔIL，一般取輸出電流的20%，電感電流的下降時(shí)間為(1-d)TS，電感值為L(zhǎng)，由圖4可得出ΔIL的計(jì)算公式為：

2.3 開關(guān)管參數(shù)設(shè)計(jì)

假定電感電流的波動(dòng)為ΔIL，則由圖4假定電感電流的峰值為iLPK則電感電流峰值的表達(dá)式如式(4)所示：

則流經(jīng)開關(guān)管Q1、Q2電流最大值與電感電流的峰值相差一個(gè)變壓器匝數(shù)比關(guān)系，即有：

開關(guān)管Q1、Q2關(guān)斷時(shí)承受的電壓最大為輸入電

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

利用SG3525搭建了一個(gè)小功率樣機(jī)，在進(jìn)行參數(shù)設(shè)定時(shí)考慮一定的裕量，具體的參數(shù)選取如下表1所示。

表1 參數(shù)設(shè)定

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下圖所示，圖5是開關(guān)管Q1電壓應(yīng)力UQ1，開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)其大小等于輸入電壓，開關(guān)管關(guān)斷時(shí)為為輸入電壓的一半，當(dāng)原邊磁復(fù)位完成之后其大小為零；圖6為負(fù)載突變?yōu)轭~定時(shí)的輸出電壓波形，當(dāng)負(fù)載接入時(shí)輸出電壓下降，但很快就又穩(wěn)定在5V，即系統(tǒng)抗擾動(dòng)能力較強(qiáng)；圖7為變壓器原邊和副邊的電壓波形，兩者圖形一樣，值大小存在一個(gè)匝數(shù)比的關(guān)系；圖8為電感L兩端的電壓波形。

圖5 開關(guān)管電壓應(yīng)力

圖6 負(fù)載突變時(shí)輸出電壓波形

圖7 變壓器原邊、副邊電壓

圖8 電感電壓波形

4 結(jié)論

本文主要論述了雙管正激變換器電路的工作原理，對(duì)其中一些主要器件參數(shù)完成了計(jì)算推導(dǎo)，通過(guò)小功率實(shí)驗(yàn)樣機(jī)驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的雙管正激變換器具有良好的動(dòng)態(tài)特性。