1. 引言
雙正激變換器" title="正激變換器">正激變換器克服了正激變換器中開關(guān)電壓應(yīng)力高的缺點，每個開關(guān)管只需承受輸入直流電壓，不需要采用特殊的磁復(fù)位電路就可以保證變壓器的可靠磁復(fù)位。它的每一個橋臂都是由一個二極管與一個開關(guān)管串聯(lián)組成，不存在橋臂直通的危險，可靠性高。因此雙正激變換器具有其它變換器無法比擬的優(yōu)點，成為目前中大功率變換器中應(yīng)用最多的拓撲" title="拓撲">拓撲之一。雙正激組合變換器通過對雙正激變換器進行并、串組合，可以克服其占空比只能小于0.5的缺點，提高變壓器的利用率和變換器的等效占空比，適合應(yīng)用于高輸入和輸出電壓的大功率場合[1,2] 。
現(xiàn)代電源的發(fā)展方向是高頻化、小型化、模塊化、智能化，實現(xiàn)變換器的高功率密度、高效率和高可靠性。提高開關(guān)頻率，減小磁性元件的體積和重量是提高變換器功率密度的有效措施。但是在硬開關(guān)狀態(tài)下工作的變換器，隨著開關(guān)頻率的上升，一方面開關(guān)器件的開關(guān)損耗會成正比地增大，無源元件的損耗大幅度增加,效率大大降低；另一方面，過高的dv/dt和di/dt會產(chǎn)生嚴重的電磁干擾(EMI),影響變換器的可靠性。為了改善高頻變換器開關(guān)的工作條件,減小開關(guān)損耗和電磁干擾,各種軟開關(guān)" title="軟開關(guān)">軟開關(guān)技術(shù)應(yīng)用而生，包括無源軟開關(guān)技術(shù)與ZVS/ZCS諧振、準諧振、ZVS/ZCS-PWM、ZVT/ZCT-PWM等有源軟開關(guān)技術(shù)。
近年來國內(nèi)外廣大學(xué)者對雙正激及其組合變換器的軟開關(guān)技術(shù)進行了大量的研究。軟開關(guān)拓撲大體上可分為三類，即應(yīng)用無源輔助電路的無源軟開關(guān)拓撲；應(yīng)用有源輔助電路的有源軟開關(guān)拓撲；不需輔助電路的軟開關(guān)拓撲。本文系統(tǒng)地分析了這三類軟開關(guān)拓撲，指出各種拓撲的特點和適用場合，給出簡單的分析和評價，并選擇了一種新型的ZVS雙正激組合變換器，作為高壓直流輸入航空靜止變流器DC/DC級拓撲，成功研制了一臺4KW的雙正激組合變換器，滿載時效率高達95.51%。
2. 應(yīng)用無源輔助電路的無源軟開關(guān)拓撲
2.1 原邊箝位型ZVZCS雙正激變換器
文獻[3]提出了一種原邊箝位型ZVZCS雙正激變換器如圖1所示。原邊箝位電路由輔助電感Lr和兩個箝位二極管D3、D4組成。
圖1 原邊箝位型ZVZCS雙正激變換器
S1和S2開通時Lr的電流從零開始線性上升，從而減小了D6關(guān)斷時的di/dt和電壓尖峰，S1和S2為零電流開通。S1和S2關(guān)斷時負載電流對開關(guān)管的結(jié)電容充電，S1和S2為零電壓關(guān)斷。該拓撲的優(yōu)點是：通過簡單的無源箝位電路減小了副邊續(xù)流二極管反向恢復(fù)引起的電壓尖峰，降低了電磁干擾，實現(xiàn)了開關(guān)管的零電流開通和零電壓關(guān)斷，適合應(yīng)用于高壓輸出的大功率場合。缺點是變換器的開關(guān)管為容性開通。
2.2 一種雙正激電路的軟關(guān)斷拓撲
文獻[4]提出了一種雙正激電路的軟關(guān)斷拓撲如圖2所示。通過比開關(guān)結(jié)電容大得多的諧振電容C1、C2限制開關(guān)電壓的上升速度，從而實現(xiàn)開關(guān)管的ZVS關(guān)斷。由Lr、C1、C2 D3、D4和D5構(gòu)成的箝位電路是無損的，并能將變壓器漏感所存儲的能量全部返回到輸入電源中。但是開關(guān)管開通時，諧振電流從開關(guān)管流過，增加了開關(guān)管的電流應(yīng)力，而且開關(guān)管為硬開通，對大功率雙正激電路效率的提高有較大的實用價值。
圖2 一種雙正激電路的軟關(guān)斷拓撲
2.3 無源ZVT雙正激變換器
圖3示出了一種無源ZVT 雙正激變換器[5] ，它通過在變壓器原邊增加輔助電路，實現(xiàn)開關(guān)管的零電壓關(guān)斷。其工作原理為：當兩個開關(guān)管開通時，諧振電容Cr 和諧振電感Lr通過開關(guān)S2 及二極管D3諧振，將Cr上的電壓改變極性，在開關(guān)管關(guān)斷時，由于Cr比開關(guān)管的結(jié)電容大得多，因此限制了開關(guān)管電壓的上升速度，從而實現(xiàn)零電壓關(guān)斷。這種變換器的優(yōu)點是不需要增加有源開關(guān)器件，因此電路簡單。但是由于在開關(guān)開通時，諧振電流要從下管S2流通，因此增加了下管的電流應(yīng)力，而且開關(guān)管為硬開通,開通損耗較大。
圖3 無源ZVT雙正激變換器
2.4 無損緩沖ZVZCS雙正激變換器
文獻[6]提出了一種無損緩沖ZVZCS雙正激電路如圖4所示。通過輔助電感Lr實現(xiàn)開關(guān)管的零電流開通，由諧振電容Cr實現(xiàn)開關(guān)管的零電壓關(guān)斷。該變換器在整個負載范圍內(nèi)都可以實現(xiàn)軟開關(guān)，通態(tài)損耗較小，而且緩沖電路是無損的。
圖4 無損緩沖ZVZCS雙正激電路
2.5 帶能量吸收電路的軟開關(guān)雙正激變換器
文獻[7]提出了一種開關(guān)管和副邊整流二極管帶能量吸收緩沖電路的雙正激電路如圖5所示。無損吸收緩沖網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了原邊開關(guān)管的零電流開通、零電壓關(guān)斷和副邊整流二極管的零電流開通，并且副邊整流二極管不存在電壓尖峰和反向恢復(fù)損耗。該電路結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，需要附加2套緩沖電路。
圖5 帶能量吸收緩沖電路的軟開關(guān)雙正激變換器
2.6 橋臂互感型軟開關(guān)雙正激組合變換器
文獻[8]提出了一種橋臂互感型軟開關(guān)雙正激組合變換器如圖6所示，將兩個雙正激變換器的串聯(lián)組合，副邊采用倍流整流電路，適用于高輸入電壓、低壓大電流輸出的場合。開關(guān)管承受的電壓僅為輸入直流電壓的一半。利用耦合電感中儲存的能量實現(xiàn)開的零電壓開關(guān)，同時采用移相控制技術(shù)調(diào)節(jié)輸出電壓和實現(xiàn)軟開關(guān)。由于采用了帶兩個原邊繞組的變壓器，所以能夠使變壓器磁芯工作在雙象限和實現(xiàn)輸入電容電壓的自動均壓。該電路的缺點是每個橋臂上的輔助電路增加了開關(guān)管的電流應(yīng)力，電路的導(dǎo)通損耗比較大，輔助電路較復(fù)雜。
圖6 橋臂互感型軟開關(guān)雙正激組合變換器
2.7 改進的橋臂互感型軟開關(guān)雙正激組合變換器
文獻[9]提出了一種改進的橋臂互感型軟開關(guān)雙正激組合變換器如圖7所示，不僅具有圖6電路所具有的優(yōu)點，而且不需要采用圖6電路所示的輔助電路。通過PWM控制開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷，利用偶合的諧振電感Lr1和Lr2實現(xiàn)開關(guān)管的零電壓開通，但是軟開關(guān)范圍受一定的限制。由于輸入電容的自動均壓方式是通過原邊電流流經(jīng)開關(guān)管和變壓器在兩個電容之間相互傳遞能量實現(xiàn)的，因而會增加開關(guān)管的電流應(yīng)力和導(dǎo)通損耗。而且副邊整流二極管的電壓應(yīng)力較大，不適合應(yīng)用在高輸出電壓場合。該變換器適用于高輸入電壓、低壓大電流輸出的大功率場合。
圖7 改進的橋臂互感型軟開關(guān)雙正激組合變換器
3. 應(yīng)用有源輔助電路的有源軟開關(guān)拓撲
3.1 有源箝位軟開關(guān)雙正激變換器
文獻[10]提出了一種有源箝位軟開關(guān)雙正激變換器如圖8所示。通過在變壓器的原邊并聯(lián)一個由Sa、Ca、Da構(gòu)成的有源箝位網(wǎng)絡(luò)，不僅可以箝位開關(guān)管的電壓，還可以實現(xiàn)開關(guān)管和輔管的零電壓開通。同時變壓器勵磁電流雙向流動，提高了變壓器磁芯的利用率。電路工作于準方波模式，可以進行恒頻PWM控制，電磁兼容性好。
圖8 有源箝位軟開關(guān)雙正激變換器
3.2 一種新型的有源箝位雙正激變換器
為了減小變換器原邊開關(guān)管和副邊二極管的開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗，文獻[11]提出了一種新型的有源箝位雙正激變換器如圖9所示，利用2個開關(guān)管Sa1、Sa2代替?zhèn)鹘y(tǒng)雙正激電路原邊的2個箝位二極管，同時加入一個箝位電容，實現(xiàn)主開關(guān)管和輔管的ZVS開通。該拓撲電路結(jié)構(gòu)簡潔，而且輔管Sa1、Sa2可以選用電壓定額較低的開關(guān)管。該變換器適用于寬輸入電壓范圍的中、低壓場合，但是輔管的引入增加了電路控制的復(fù)雜性。
圖9 一種新型的有源箝位雙正激變換器
3.3 一種有源軟開關(guān)雙正激變換器
文獻[12]提出了一種有源軟開關(guān)雙正激變換器如圖10所示。輔助諧振網(wǎng)絡(luò)的輔管可以零電流開通，ZVS關(guān)斷，同時實現(xiàn)主開關(guān)管S1的零電壓零電流開通、零電壓關(guān)斷和S2的零電流開通。該拓撲的缺點輔助電路結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，開關(guān)管S2是硬關(guān)斷，而且存在容性開通損耗。
圖10 一種有源軟開關(guān)雙正激變換器
3.4 串聯(lián)組合式ZVS雙正激變換器
圖11所示電路[13]是由兩個ZVS雙正激變換器串聯(lián)組成。它可以實現(xiàn)主開關(guān)管的零電壓開通和輔管的零電流開通、零電壓零電流關(guān)斷。在主開關(guān)管開通前超前導(dǎo)通輔管Sa1(或Sa2),通過Lr1（或Lr2）和Cr1（或Cr2）諧振，使諧振電容上的電壓達到Vin/2,然后開通主開關(guān)管。由于該電路采用了帶兩個原邊的變壓器，所以它能實現(xiàn)磁芯的雙象限工作和輸入電容的自動均壓，適合應(yīng)用在高電壓輸入的大功率場合。但是副邊整流二極管的電壓為兩倍的副邊電壓，因而限制了變換器在高輸出電壓領(lǐng)域的應(yīng)用。
3.5 有源ZVT雙正激變換器
文獻[14]提出了一種有源ZVT雙正激變換器如圖12所示。其基本原理與圖4所示的無源ZVT電路一樣，也是通過比開關(guān)結(jié)電容大得多的諧振電容Cr限制開關(guān)電壓上升速度，從而實現(xiàn)開關(guān)ZVS關(guān)斷。與圖4不同的是，諧振回路與主回路完全分開，在諧振網(wǎng)絡(luò)中增加了諧振開關(guān)Sa，諧振電流不從下管中流過，因此不增加變換器主開關(guān)管的電流應(yīng)力。而且通過在S1、S2開通之前很短的時間內(nèi)超前開通諧振開關(guān)Sa，能夠?qū)崿F(xiàn)S1、S2的零電壓開通。該帶電路的缺點是Sa零電流開關(guān)，但為容性開通，而且這種變換器增加了電路的復(fù)雜性。
圖12 有源ZVT雙正激變換器
3.6 ZVT交錯并聯(lián)雙正激組合變換器
文獻[15]提出了一種ZVT交錯并聯(lián)雙正激組合變換器，如圖13所示，采用一套輔助電路實現(xiàn)整個組合變換器的主開關(guān)管的ZVS。輔助電路由兩個開關(guān)管Sa1、Sa2、D5、D6有和諧振電容Cr組成，將變壓器漏感和勵磁電感作為諧振電感，減少了外加諧振電感帶來的損耗。但是輔管是零電流開關(guān)，存在容性開通損耗。
圖13 ZVT交錯并聯(lián)雙正激組合變換器
3.7 ZCT雙正激變換器
文獻[16]提出了ZCT雙正激變換器，如圖14所示，在每個開關(guān)管旁并聯(lián)一個諧振回路，在主開關(guān)管關(guān)斷之前開通諧振開關(guān)，通過諧振回路的諧振，將主開關(guān)管的電流轉(zhuǎn)移到諧振回路中，從而實現(xiàn)主開關(guān)管的零電流關(guān)斷，諧振開關(guān)在諧振電流過零時自然關(guān)斷。ZCT雙正激變換器特別適合于以IGBT 作主開關(guān)管的應(yīng)用場合，可以避免IGBT 關(guān)斷時由拖尾電流引起的關(guān)斷損耗。但是主開關(guān)管是硬開通，而且需要兩個輔助開關(guān)和兩套輔助電路，因此電路結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。
圖14 ZCT雙正激變換器
3.8 廣義軟開關(guān)-PWM雙正激變換器
廣義軟開關(guān)，就是用有源或無源的無損吸收電路，使開關(guān)過程軟化，實現(xiàn)近似零電壓開通或近似零電流關(guān)斷，減少開關(guān)損耗，同時降低整流二極管的反向恢復(fù)損耗。它可以達到與傳統(tǒng)ZVT或ZCT軟開關(guān)幾乎相同的指標，但比傳統(tǒng)軟開關(guān)具有電路簡單，成本低廉，可靠性高的優(yōu)點。圖15所示是一種廣義軟開關(guān)-PWM雙正激變換器[17,18]，原理簡述如下：主開關(guān)管S1、S2以及輔管Sa同時開通，回路中Lr限制了主開關(guān)管的電流上升率，減小了開通損耗。S1先關(guān)斷，變壓器電流對C1充電，C1上的電壓不能突變，因此S1電壓上升電壓斜率受到限制，關(guān)斷損耗減小。令Sa先于S2關(guān)斷，當S2關(guān)斷時，器電流對C2充電，和S1關(guān)斷情況相同，減小了S2的關(guān)斷損耗。該電路的特點是：變壓器和吸收電感的儲能可回饋給電源，輔管Sa可實現(xiàn)ZVS，S1、S2雖然不是零電壓開通，也不是零電流關(guān)斷，但是有源無損吸收電路有效地軟化了開關(guān)過程。但是吸收電路需增加輔助開關(guān)管，控制較復(fù)雜。
圖15 廣義軟開關(guān)-PWM雙正激變換器
4. 不需輔助電路的軟開關(guān)拓撲
4.1 雙橋式ZVS雙正激組合變換器
圖16提出了一種雙橋式ZVS雙正激組合變換器[19]，兩個雙正激變換器在原邊串聯(lián)，共用一個高頻變壓器，通過移相控制，并利用變壓器漏感和勵磁電感實現(xiàn)開關(guān)管的零電壓開通。變壓器磁芯的雙象限磁化實現(xiàn)了輸入電容的自動均壓。該電路適用于高輸入、輸出電壓，大電流輸出的場合，但是通態(tài)損耗較大。
圖16 雙橋式ZVS雙正激變換器
4.2 ZVZCS PWM交錯并聯(lián)的雙正激組合變換器
文獻[20]提出了一種ZVZCS PWM并聯(lián)的雙正激組合變換器如圖17所示，副邊采用耦合的濾波電感以減小空載電流和環(huán)流電流，Ls1、Ls2是變壓器的副邊漏感。通過PWM控制，不需輔助電路就實現(xiàn)了S1、S2的ZVS和S3、S4的ZCS，減小了原邊和副邊的空載和環(huán)流電流，降低了通態(tài)損耗。它適合用于高壓輸入、IGBT做開關(guān)管的場合。
圖17 ZVZCS PWM交錯并聯(lián)的雙正激組合變換器
4.3 新型的ZVZCS雙正激組合變換器
文獻[21]提出了一種新型的ZVZCS PWM交錯并聯(lián)的雙正激組合變換器如圖18所示。兩個相同的雙正激變換器在原邊串聯(lián)，采用一個帶兩個原邊繞組和兩個副邊繞組的高頻變壓器，采用PWM技術(shù)減少空載和環(huán)流電流，降低了導(dǎo)通損耗。在較寬的負載范圍內(nèi)不需采用任何有源或無源輔助電路，由變壓器漏感電流實現(xiàn)了S1、S3的零電壓零電流開通、零電壓關(guān)斷，利用漏感電流和環(huán)流電流實現(xiàn)S2、S4的零電流開通、零電壓關(guān)斷。4個開關(guān)管類似全橋變換器工作，磁芯元件和濾波器體積都很小。該變換器的優(yōu)點是變壓器原邊側(cè)沒有環(huán)流存在，但是需要兩個相同的原邊繞組，銅損較大。此外S2、S4為零電流開通，用MOSFET作開關(guān)管時存在容性開通損耗。適用于高輸入電壓的大功率場合。
圖18新型的ZVZCS雙正激組合變換器
4.4 ZVS三電平雙正激組合變換器
文獻[22]提出了一種新型的ZVS三電平雙正激組合變換器，如圖19所示。它由兩個雙正激電路串聯(lián)構(gòu)成，經(jīng)過一個有兩個原邊繞組的高頻變壓器實行隔離輸出。利用集成在高頻變壓器中的副邊漏感，通過PWM控制實現(xiàn)開關(guān)管的ZVS。該變換器的開關(guān)管所承受的電壓應(yīng)力為輸入直流電壓的一半，因此適用于高電壓輸入場合。文獻最后給出了采用全波整流和倍流整流的ZVS三電平雙正激組合變換器拓撲。
圖19 ZVS三電平雙正激組合變換器
4.5 新型的ZVS雙正激組合變換器
文獻[23]提出了一種新型的ZVS雙正激組合變換器，如圖20所示。主電路原邊部分由交錯并聯(lián)的雙正激組合變換器簡化而來，原邊只用兩個續(xù)流二極管，電路結(jié)構(gòu)簡單。而且采用變壓器的磁集成技術(shù)，高頻變壓器磁芯雙向磁化，提高了磁芯的利用率，進一步減小了體積，提高了變換器的功率密度。此外，該變換器還具有如下一些特點：
(1)變換器采用開環(huán)控制，在接近100%的等效占空比下工作，變換效率高；(2)可以通過變壓器漏感（或串聯(lián)電感）能量實現(xiàn)主開關(guān)管的零電壓開通，同時降低了副邊整流二極管的反向恢復(fù)損耗，大大提高了效率；(3)輸出濾波電路不含濾波電感，這樣由于輸出濾波電容的箝位作用，大大減小了副邊整流二極管的電壓尖峰。該變換器起著隔離和變壓的作用，輸出電壓隨輸入電壓和負載變化，所以適合應(yīng)用于輸入電壓變化范圍較小的兩級或多級系統(tǒng)中。
圖20新型的ZVS雙正激組合變換器
本文選用這種新型的ZVS雙正激組合變換器，作為高壓直流輸入航空靜止變流器DC/DC級拓撲，采用并-串組合方式成功研制了一臺4KW的DC/DC變換器（實驗電路如圖21）。
圖21變換器實驗電路圖
實驗主要數(shù)據(jù)為：輸入直流電壓：Vin=270V；輸出直流電壓：Vo=360V；D=0.483；變壓器磁芯：雙EE55B。變壓器原副邊變比：K=13：11；變壓器原邊漏感（包括串聯(lián)電感）：Ls1= Ls2= Ls3= Ls4=26uH；開關(guān)管(S1~S8)：IXTK48N50(Rds(on)=0.10 , Cds="620pF")；原邊續(xù)流二極管(D1~D4)：DSEI60-06A；副邊整流二極管(D5~D8)：DSEI60-10A 。輸出濾波電容：Cf1= Cf2=470uF；開關(guān)頻率：fs=100kHz。
圖22 ZVS開關(guān)波形(2us/div)
（CH1：S1漏源電壓 100V/div；CH2：S1驅(qū)動電壓 20V/div）
圖23滿載時驅(qū)動電壓、副邊電壓、電流波形(2us/div) （CH1：S1驅(qū)動電壓 20V/div；CH2：變壓器副邊電壓 250V/div；CH3：變壓器副邊電流 10A/div）
圖22是開關(guān)管S1的驅(qū)動電壓和漏源電壓的波形，從圖中可以看出S1實現(xiàn)了ZVS。圖23給出了滿載時副邊電壓和電流的波形。由于輸出濾波電容的箝位，副邊幾乎沒有電壓尖峰。圖24給出了變換器效率和輸出功率的關(guān)系曲線，滿載時效率高達95.51%。
圖23 滿載時副邊電壓和電流的波形
圖24 效率與輸出功率的關(guān)系曲線
5. 結(jié)論
本文對應(yīng)用無源輔助電路、有源輔助電路和不需附加輔助電路的三類雙正激軟開關(guān)拓撲進行了系統(tǒng)的分析和評價，并選擇一種新型的雙正激軟開關(guān)拓撲作為高壓直流輸入航空靜止變流器的DC/DC級拓撲，成功研制了一臺4KW的樣機，最后給出了實驗結(jié)果。本文的分析將有助于在不同的應(yīng)用場合選擇最合適的雙正激變換器的軟開關(guān)拓撲。