第3 卷第2
6
期
20
0 2年 4月
电力
电于技术
P ½½ E½ ½ ½½
½ ½ ½ ½ ½
½½ ½
V½. N½ 2
½3 . .
6
A ½, 2
½½2 0
½0
反激变换器开关应力抑制技术研究
张兰红1 陈道炼2
(.
1盐城工学院,
盐城 240;
203 2南京航空航天大学,
.
南京 201)
1 6
0
摘要:
对反激变换器的各种开关应力抑制技术进行了分析研究 指出了
它们各自的优缺点和应用场合
关.词:
变换器/
反激变换器;
开关应力;
抑制技术
中田分类号 : M 6
T 4
文献标识码:
A
文A编号:00 10 ( 0 )2 02 一 3
½
10 一 0X 2 20 一 09 0
0
R½½½ ½ S ½ ½ ½ ½½½ ½ T½½ ½ ½ ½ ½ C ½½ ½
S ½ S½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ F½½½ ½½½ ½
½ ½½ ½½ ½ ½
½
½ ½ ½
½½ ½ ½ ½ ½
½
½
Z A G - ½½ C E D½½½
H N L½ ½½ H N - ½
½ ½ ,
½½
½
(. ½½ C½½ ½ T½½½ ½ Y½ ½ 240, ½
C ½ ;
1 Y ½½ ½ ½ ½ ½ ½½ . ½ ½ 203 ½ ½
½ ½ ½½ ½ ½ ½
½ ½ ½
2 N ½½ U ½ ½½½ A ½½½½ ½½½½½ N ½ ½ 06 C ½
A½ ½½½, ½ ½ 20 1, ½ )
. ½ ½ ½ ½½ ½ ½½½½½ ½
½ ½ ½ ½ ½ ½
½
½ ½
½ ½½ 1
½½
A½ ½ T ½ ½ ½ ½½ ½ ½ ½½ ½ ½½ ½½ ½ ½½ ½ ½½ ½ ½ ½ ½ ½½ , ½½½
½ ½ ½½½½ ½½ ½ ½ ½ ½½½ ½½ ½ ½ ½ ½ ½ ½½½ ½ ½ ½½ ½½½
½ ½ ½ ½ ½½ ½ ½ ½ ½
½ : ½
½
½
½ ½ ½ ½ ½½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½½ ½ ½
½ ½ ½ ½
½
½
½
½ ½ ½½ ½ ½ ½½½ ½ ½½ ½ ½½ ½ ½ ½½ ½
½ ½ ½ ½ , ½½½ ½ ½ ½½½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ .
½ ½ ½ ½
½
½
½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½
½
½
K ½ "山: ½½ ½ ½½½ ½½½ ½; ½ ½ ½ ½½½ ½½ ½ ½
½½½½ ; ½½ ½½ ½ ½ ½½ ½ ; ½ ½½ ½ ½½ ½
½.
½
½ ½
½
½
½ ½ ½ ½ ½ ½ ½½ ½ ½
½
½
1 引 言
反激变换器广泛应用于中小功率变换场合,
½
反激变换器中变压器兼½储½电感用,
因而气隙较
大,
漏感亦较大,
功率开关关断时,
由漏感储½引起
( / 2U ½
N,N )
½
的电
流突
变产生很高的关断电压尖峰; 感电流连
电
续模式(C 下次级整流二极管反向恢复会引起
C M)
功率开关开通时高的电流尖峰。因此,
必须采取措
½抑制功率开关电压、 流应力,
电
反激变换器才½正
常工½。文中详细分析了反激变换器 3
种开关应力
抑制技术,
即双晶½管钳½法、 C
R D钳½法和有源
钳½法的工½原理,
指出了设计时应注意的问题及
.
(
厂
’
‘
图 1 双晶½管钳½反激变换器
V
,
D
泪
S
/7
4
()
½电路图
()
6工½波½
各自的优缺点和应用场合。
2 双晶½管钳½反激变换器
图1
所示为其电路原理图和工½波½,
图中两
只
场效应晶½管½ , S 同时导通和关断,
½和V 2
二极
管V , D ½钳½用。½ ½ , ½ 2
D 和V 2
½ 和 ½ 导通时,
变压器初级绕组N 储½.
,
开关管电 ‘线性上升;
流 :
V , 凡截止时,,
S和V
½变为零,
由于反激½用,
变压
器初、
次级绕组电
压均反向.
漏感储½½ “B
A一下子
上
升到U V ,V 2
. 立即导通, ,B
D D
将 A钳½在 U
;
值, D 导通,
V3
由于次级也存在漏感,
次级电流缓慢
设计该电路中的变压器时,
次级绕组反激电压
在初级的
折算值不½高于供电电 U,
压 ;
否则反激½
且将回
馈到电
源中「。
’
1
双晶½管钳½反激变换器的优点为:
①每只晶
½管承受的峰值电
压为 U,
;
降½了
对开关管的耐压
要求,
适合于高输入电压的场合;
②漏感½量可无损
地回馈到电源中去,
系统½量损失小,
效率高。其缺
上 , : 到 N/ 2 ½ 初 绕 的 感
升 ½£ ( , ) 级 组中 漏
达
N ½时
½
量反馈到电源 U, , 截止, A 下降到
; D V
V
马
½:
收稿8 20 一 7 1
期: 1 0 一 7
0
定核 6 : 0 一 8 2
期 2 1 0一 7
0
½者简介 : 兰红 (98 , 江苏盆城人,
张
16 一)女,
硕士,
讲
).
½ 研究方向为电力电子技术
点是增加了3
只功率器件:几, V ;且½采
V V
D I,
用M SE
O F T时.S 和 V 驱动需要隔离,
V: S
,
从而增
加了电路的复杂程度和成本。
3 C 钳½反激变换器
RD
图2
C
所示为R D钳½反激变换器电路图,
开关
管 V 关断时,
S
变压器漏感½量½移到电容 C上,
然
后电阻R将这部分½量消耗掉。开关管导通过程
中电容C
不一定放电到零,
因此 V 关断时, 源
S
漏一
2
9
万方数据
第3 卷 第2
6
期
2 2年 4月
叨
电力电子技术
P ½½ E½½ ½½
½ ½ ½½ ½
½ ½ ½
V ½ 6 N .
½. ½2
3 ,
A½½ 2 0
½, 2
½0
电压上升过程中,
一段时间内电容 C不起½用,
这
有 于 激 冲2
利 反 过 [
1
V
D,
简洁、
容易实现,
其缺点是漏感½量消耗在钳½电阻
中,
因此它广泛应用在要求价廉、
效率不高的场合。
4 有源钳½反激变换器
图4
所示为有源钳½反激变换器电路拓扑及稳
态 理 ½3 变压 磁 感玩、 振电 ,
原 波 [。 器用 化电
(
1
谐 感L
(
包括变压器漏感和外加小电感) 有变比
和只
关系的
理想变压器T表示,
谐振电容C 为开关V ,
:
½V
头输
出电容及外加小电容的并联。稳态 C M模式每个
C
开关周期分为 7
个状态:
图2 C
R D钳½反滋变换器
R 取值不同时电容 C电压波½如图3
C
所示。
图3 中,
½ C值较大, 上电压缓慢上升,
C
次级反激过
冲小,
变压器初级½量不½迅速传递到次级。图3
½
中, C值合适,
R,
C上电压在开关管 V 截止瞬间
9
冲上去,
然后二极管 V
D截止,
电容 C通过电阻 R
放电, 3
到V 开通瞬间, 上电压应放电
C
到接近( ,
N½
N )
2U 。图3 中, ,
½
½ R C值均偏小,
C上电压在 V
½
截止瞬间冲上去,
然后因R
C时间常数小,
C上电压
很快放电到等于( , 2U , R D钳½电
N / ) 此时 C
N ½
路
和次级负½½一样,
成为变换器一路负½½,
消耗变压器
储½,
效率降½。
认
V V1F ½½
S S. VT
½ J C
> D
"
十
认
½
½
拍
½
狱
峪
仙
U
和
½
认
-
矜
加
场
・I½
扬
½½
.‘
½, U
NI .
N)
U才从幸水 (
1
8
)
( I )
N, U
N2
½ 向
U目
()
,电路拓扑
(
½原理波½
图½ 有源钳½反激变换器电
路拓扑及原理波½
( I U
N, 2 ,
N)
图3 C
取不同值时电容½的电压波½
R
开关管 V 截止时,
S
漏感½量等于电容 C吸收
的½量.
因而
C=
½ 。 功率开关 V 开通,
=½时,
S
钳½开关 V ½
S及
其寄生二极管 V ½
D 与整流二极管 ½)
½ 均截止,
瑞
与L线
, 性充电;
½ ½时, 关断,
S
= V
,
磁化电感电流即谐振电感
电
流以谐振方式对 C 充电,
,
开关管 V 漏一
S 源电压
“ 近似线性上升;
。
( 、一U 一 耘
½
; U
)
Z
()
1
½ : “ 上升到 U + V ½
、
=½时,
; , 开通, ½
½ D
½
½½
式中 L½ 变压器初级汤感
,
—
U( , Z,
. / )磁化电流通过钳½支路对C 充电
N N
½
(½ , ½ 下降规律为 ½ =一。L /L +
C > ) ,
C ,
½
½ ½( ,
L)
½;
I一一
流蜂值
, 初级电
,
感电
U 一一开关管 S
V 所½承受的最大漏一
二
原电压
U — 电容½初始电压
以 翰入直流电压
—
在 V 开通之前,
S
电容 C上的电压不应放电到
½于( , ) 故由
N ½ U, 下式确定电阻R
N ½
Z
:
( ½ 。
U UR 。
D ;C瓮
½)
一
R D钳½反激变换器的突出优点是电路拓扑
C
万方数据
()
2
½ ½时。 已
: 经下降到½ ½〕
=3 ½
½正偏导通,
随后
。 钳½在一U ( , 2, ½开始谐振,。
;
.NI )L和½
N ,
L上
的电
压为 ½ 一U ( , ,,
½ ½N I )½ 下降速率为L½
N
½
½-
U( I Z½L, ½ 开始反向之前开通 V
. N) , ½
N,
I 在
,
S
V½
S 便获得了
零电压开通(V )
Z S;
½ ½时, ½
S 关断,, ,
=; V
L 与C谐振,
在G放电
期
间。 仍然被钳½在一U ( , )
:
½ / 值上;
N N
½
反激变换½开关应 力抑制技术研究
! ½时, S O假定L储½大于C储½,
D- ,
=5 U
,
足
以
½½ ½内
½ 寄生二极管V ½
D 开通,:
L 上电压钳½
在 U + ( / 2值上,
, U N, )
. N
则次级整流二极管 V
D
中电流 ½下降速率为:
2
有源钳½反激变换器具有下列优点:
①变压器
漏感½量被吸收并回馈到电½侧,
消除了漏感引起
的关断电压尖峰,
功率开关承受电压应力小;
②主开
关、
钳½开关均获得了½ ½
½ 开关;
③谐振电 L½
感 。
N.N,
½,
½
U +U
N:
/ _
整流二极管 V 〕
I关断电流变化率减小,
降½了 V
D
二牛 一七
七
一一
( _ L ) ( )
L ; .
3
反向恢复引起的关断损耗、
开关噪声及 V 开通时
S
½
, 、。 一
½ N -
L
2
一,
½ ½时, 零电
S 压开A(½ )随着 ½上升,
的电流尖峰。总之,
=。 ½
ZS
。
采用有源钳½技术可½反激变
:逐渐下降;
:
换器实现高频、
高效、
½开关,
可应用在要求高功率
½ ½时, ½
L
= , ½
已上升到磁化电流 = 值,2 0
L ½- ,
密度、
½
高变换效率的场合。其唯一不足是多用了一
½〕
½反偏, ½
U 由一U ( , )
½ / 2变为 U, L 和
N N
;
随后
个钳½开关,
增加了驱动电路难度和变换器成本
L再次线性充电,
新的P M开关周期又开始了。
W
5 试验结果
要实现功率开关 ½
½的零电压开½(½ )必
½ ½ I
½
分别研制了电路拓扑简洁的 R I钳½反激变
C〕
须满足:
()S ½一½期间加驱动信号,
½ 。
1V 在
否则 ½
L
,
过
机,
并进行了
试验。试验参数均为:
输入电压 U =
;
零变正后,:
L 将再次对 C 充电, ½
,
½ 便失去了Z ½
1 -3V ;
½
8 -2 D 三组输出电压: 1V 1O 一1V
C
+ / .
5
A、 5 /
条件。故½ 开通与 ½ ½
½
½ 关断的间隔应不超过 L
02 , / . 额定输出功率 P 二 0 开关频
,
. + 04 ;
A 5
V A
。 2W,
和C谐振周
,
期的四
分之一,
即:
率½= 0½ ½ C
, 30H ,
C M工½模式。
图5 为钳½支路中R
½
C取值合适时,
钳½电容 C与
() 关断时L储½应不小于C 储½,
2V C
S
,
,
以便
初
级绕组N 电压(
:
参考方向为下正上负)
波½, C
½
½将C上电
, 荷½½,
即:
与图3 理论分析一致,
½
此时电路的变换效率最高,
R, WCV ½
)
'> , S½
- I
(
5
为7%, ½
6 图5 为开关管 V 电流波½, 于次级整
S
由
设计有源钳½反激变换器时,
谐振电感 L 谐
,
流二极管反向恢复, V 开通时.
在 S
存在电流尖峰。
振电容 C、
钳½电容 ½ 的取值很关键。根据式
()L 取得大些,
3,
½
可降½ V
D电流下降率、 V ,
½ S
V 电压应力为:
S
½
U½V 农 ½U +
½ SV )
½ ,
(
图5
所示为 C〕
½ ‘ 晋 L , (
R I钳½反激变换器试验波½。
5 4 了,
一< C
4
)
换器和可实现½开关的有源钳½反激变换器原理样
NQ
U; 1一D)
½
½ D(
,
U
2 , ½
L 几P
()
6
冲
>
½
霎
娜
琴
O
N工
A
卑
戈
乏
、
式中 尸 — 倾定拾出功率
。
D— 开关 V
占空比
S
½ 一一开关颁率
½
电
L 的增加而加大。损失的占空比
压应力随 ,
½ , U + ½ ,U 1
UDL ( / )
; N N ½
由
于损失的占空比也随 L 的增加在变大,
,
因
此L 不宜取大,
,
一般取 L = -1%L 。再由式
, 5-0 ½
()
5得谐振电 C 为:
容 ,
JS
O = ½
D -
½ ½
7
2 P½
L, ½½
此甘
一
一,
、_
_
½
_
一
阁 ½½
(
/½
1格
N
½
)
½½ ½
½½½
格
已-
.
½
½
()
7
()
½
钳½电容½电压 L 与初级绕组 ½ 电压
½
,
()
½开关管V 电流 ‘
S
,
图 5 C 钳½反激变换器试验波½
R D
图6
为有源钳½反激变换器试验波½, 6、
图 ½
L
J-
6 分别为主管V 和钳½管 V 。
½
S
S 的驱动电压和漏-
½ ( ½I ½
, U+ / )
- .UN N ½ (
源电压波½, ¥ V 。
和 S 均实现了½ 5开关,
8
)
V
½
漏感½
式中 场— 变压器初级电
流峰值
量被很½地吸收,
功率管漏一
源电压尖峰被很½地钳
钳½电 ½ 的选取原则为:½ ½
容½
½ 与L 的半个谐
½。图6,½
½ 则分别为开关管 V 和次级整流二极
6
S
振周期应远大于功率开关 V
S的截止时间 即
管 ½)
½ 电流波½,
由于 V)
I 的电流缓慢下降, V
故 S
(; ,
, ,½
½ ½ '
L,
-一(一 )
1 D½
、
,
,
_
开通时不存在二极管反向恢复引起的电流尖峰。有
、
源钳½反激变换器的最高变换效率达 8 %0
0
(
F½ F
2
5页〕
万方数据
一种新型的并一 辛型双管正激组合变换忿
卑
孚
民
 ̄
决
一
½
吟
‘
..
½
¥
1_
_
_
〔
_
..
朴
½
-
一
½
;
_
一
叮
「
.
,
..½
丫
以看出次级高频二极管只要选择 60
0V的管子就够
了.
这样提高了电路的可靠性,
减小了二极管导通损
耗。
5 致 谢
论文½者十分感谢教育部高等学校骨干教师基
金和教育部留学回½基金的资助。
参考文献:
L½ ½ ½, . ½½A 5W ½ ½½ ½
½
T½½ CH G , . . O ½½ ½½ 9%
½½ . . ½ 1 ½ ½½ ½ 0
1
½
E½½ ½ ½ ½ T ½½½ ½½ ½ ½½½ ½ ½
T ½ ½½½ F ½ ½ C ½½½ ½½
½½½½
½½
½ ½ ½ ½ ½
½
½ ½
图9 电 1
路 次级续流二极管 V 、
L 的电
压波½( V 格)
5 /
0
从图8
中可以得到电路 2
的次级续流二极管的
电
压峰值为70 ,
5V 由图9
中得到电 1
路 的次级续流
二极管的电压峰值为30 ,
5V 约为电 2
路 的一半。
N ½ ½ ½½ S½½ [ EO9, : 一 0.
½½ ½ ½ 1P S ' 9866 70
½-½ ½ ½ ½ C . 81
½½
½
9 9
[½ ½ ½ ½½½ A ½ T ½ ½½ ½ ½
2 S X D ½, ½ N ½ ½ T½ ½½ ½½½
½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½½ ½ ½
½
.
½
Z TP
½½ ½[ ½, MC' 7 19 : 1 一
V -WM ½½½ ½ C . IE
C ½
P
9 , 7 3 1
9
35
1
4 结 论
在高输出电压、
大功率应用场合,
传统的双管正
激变换器及其组合变换器为了解决次级高频二极管
电
压应力高的间题,
往往要用多个高频二极管串联
以
解决耐压间题。½是如果在运行过程中串联的高
频二极管不½很½地均压,
可½会导致电路损坏。
新型并一
串型双管正激组合变换器通过将次级整流
和续流二极管的串联变为电路的串联,
较½地实现
了高预整流二极管的动态均压。并且从实验数据可
(
土接 第3 页)
1
裸
孚
0
之
A
斑
1卜
认
1知
[1 ½½ ½ ½ ½ ½ ½ -½ ½N½½ ½ ½
3 ½½M ½ ½ , . ½ R½½ ½ ½ ½ D
B ½ ½ ½½ ½½T ½ ½ ½ ½ ½ ½
½ ½ ½
½
½ -
½½ ½½ C ½½½ . . ½, ½ N
½ ½½½[ U S P½ ½P½ ½ .
½ V ½ ½ ½ P . ½
½ ½½
½
½ ½½ ½
5 3 5 1 19
5一0
4 80 ,9
8一0 .
1
[1 ½ ½½½ F½½ C½½½R½½½ U½ C½
4 ½ N½, . ½ ½½ ½ ½ ½ ½ ½ -
S ½ ½ ½ ½ ½½ ½ ½ ½ ½
½ ½
½
½½½ ½½ ½ ) E ½. ½ ½E½½ -
½ ½ ½ E T½½½ P½ ½ ½ ½
½½ T½½ ½ ½ .
½½ ½ ½
I
E
½ ½
½½
½ .961( :5 一34
)36 6 .
½ 19 ,12
½
[1 ½ Y½ ½½ ½ ½½½ ½½ ½½ ½M ½ ½
5
C½ ½T½, . ½- ½ M ½ ½ ½½½
½
½½ C½ L
½ ½
½ ½ ½ ½
½
½
½½ ½ ½½ ½ ½ ½ ½½ ½½ . E ½.
½ F½½ C½½ ½ [½IE T½½
½ ½ F½ ½
½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ E
½
½ P½½ ½ ½, 383 : -38
½ ½19 ,()30 2 .
½ ½ E ½ ½ 9
½
½½
½½
2
几
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卞
½
门
-
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井
J
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卑
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一
十
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卜 吧 -
一
( V 驱动电压 ½5 源电E ,
½S
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G
和漏一 ) !
½
½
()
½开关管 V
S电流波½
()
½二极管 、 〕
丁 电流波½
( S驱动电压 ½
功V :
。和漏一
探电压 “
,
图6 有抓钳½反激变换器试验波½
6 结 论
反激变换器各种开关应力抑制技术各有利弊。
双晶½管钳½反激变换器功率开关承受的电压应力
最小; C
R D钳½反激变换器的电路拓扑最简洁;
有
源钳½反激变换器可实现高频、
高效、
½开关,
在提
高功率密度和变换效率方面是其它两种钳½技术所
无
法比
拟的。3
种钳½技术中,
有源钳½反激变换
器综合性½最优。
参考文献:
[½ 张占 蔡宜三.
1
松,
开关电浑的原理与设计【
M了北京 电
子工业出版社,99
19 .
[½ 张兰红 .
2
基于电流控制技术反激 D / C变换器研究
CD
½
硕士学½论文½D .
½I
南京肮空航天大学, 0 .
2 12
0
[1 ½ ½ R , . ½½ ½ ½ ½- ½½ ½½
3
W ½½ ½½ U½ ½ ½A A½½ ½ C ½
½ . ½ ½½ ½ ½ ½½ C ½ ½ ½
½ ½ ½
½
½ A ½ ½ S½ ½½ ½ ½ ½ ½ ½½½½ C .
S ½½ ½ F ½½ C½½½ [ ½
½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½
½½ ½
½
½½
P½ . E P S 9 1 9 :0 -9 6
E O' . 9 4 9 9 1 .
½½ I E
E
4
万方数据
评论