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反激变换器开关应力抑制技术研究

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标签: 电源

电源

反激变换器开关应力抑制技术研究

第3 卷第2
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 . . 
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
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:
文A编号:00 10 ( 0 )2 02 一 3
½
10 一 0X 2 20 一 09 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
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,
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
图 1 双晶½管钳½反激变换器
            
/7
()
                    
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
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
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「。
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
N ½时
½
量反馈到电源 U, ,  截止, A 下降到
; D V
½:
收稿8 20 一 7 1
期: 1 0 一 7
定核 6 : 0 一 8 2
期 2 1 0一 7
½者简介 : 兰红 (98 , 江苏盆城人,
16 一)女,
硕士,
).
          
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,
变压器漏感½量½移到电容 C上,
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
漏一
          
万方数据
第3 卷 第2
2 2年 4月
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,
有 于 激 冲2
利 反 过 [
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
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
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
    
所示。
图3 中,
½ C值较大, 上电压缓慢上升,
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
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
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
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。
V V1F ½½
S S. VT
½ J  C
> D
 十
 
 
 认
½
½
½
½
・I½
½½
.‘
½, U
NI .
N)
U才从幸水 (
( 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,
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,
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,
与L线
, 性充电;
½ ½时, 关断,
     S
=  V
磁化电感电流即谐振电感
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
()
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
原电压
U — 电容½初始电压
    
以 翰入直流电压
      
在 V 开通之前,
    
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
( 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
万方数据
()
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
½
½-
U( I Z½L, ½ 开始反向之前开通 V
. N) , ½
N,
I 在
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
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
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
中电流 ½下降速率为:
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
二牛 一七
        
一一
( _ L )  ( )
L ; .
      
反向恢复引起的关断损耗、
开关噪声及 V 开通时
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。
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 
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
+  / . 
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
以便
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
为7%, ½
6 图5 为开关管 V 电流波½, 于次级整
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:
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
            
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(
, 
2 , ½
L 几P
()
½
N工
式中 尸 — 倾定拾出功率
D— 开关 V
       占空比
½ 一一开关颁率
      
½
     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
    
于损失的占空比也随 L 的增加在变大,
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,
、_
_
½
_
阁 ½½
       (
/½
1格
½
½½ ½
½½½
已-
½
½
()
()
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 ‘
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 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,
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
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
             
F½ F 
5页〕
万方数据
一种新型的并一 辛型双管正激组合变换忿
½
..
½
1_
_
_
_
..
½
½
_
..½
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
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 /
从图8
    
中可以得到电路 2
的次级续流二极管的
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
9 ,  7 3 1
35
      
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
压应力高的间题,
往往要用多个高频二极管串联
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卜
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  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
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
 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
½
½
 ̄卜
 ̄卜
“】½
肠 _
尸 :介
½
½
令产
于 一
4½
___
__
__
__
一_
½
_一
__
一_
__
_
_
晌二
:!
          
--
+1 . 一
     卜
  
卜 吧 -
( V 驱动电压 ½5 源电E ,
½S
) 
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;
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
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.
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 .
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
[1 ½ ½ R ,  . ½½ ½  ½  ½- ½½ ½½
 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
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万方数据
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