1引言

目前在各種電氣設(shè)備中應(yīng)用的各式各樣的開關(guān)電源，大多數(shù)都采用間接式DC/DC變換電路。它具有隔離性能好，便于供應(yīng)多路輸出直流電源等優(yōu)點(diǎn)。間接式DC/DC變換電路通常又分為單端電路和雙端電路[1]。一般小容量的開關(guān)電源多采用單端正激式或單端反激式DC/DC變換電路，其高頻變壓器鐵芯中的磁通是單方向脈動(dòng)的。單端間接式直流變換電路所存在的重要缺點(diǎn)是高頻變壓器鐵芯中的磁通只工作在磁化曲線的第1象限，一方面使鐵芯不能得到充分利用，另一方面總要解決磁通復(fù)位的問題[2]。相比之下，雙端間接式DC/DC變換電路比較適用于中大容量的開關(guān)電源，其高頻變壓器鐵芯的工作磁通在磁化曲線的第1、第3象限之間對(duì)稱地交變，鐵芯的利用率較高，也不必?fù)?dān)心磁通的復(fù)位問題。而且對(duì)應(yīng)于正負(fù)半周都可以向輸出傳遞能量。加之高頻變壓器鐵芯的磁通變化線性范圍寬，有利于減小變壓器的繞組匝數(shù)和鐵芯體積，提高開關(guān)電源的功率密度和工作效率。因此，研究開發(fā)完善、可靠的雙正激DC/DC變換拓?fù)浞椒ㄒ恢睘閲?guó)內(nèi)外有關(guān)研究和工程技術(shù)人員所關(guān)注。

基于上述考慮，我們?cè)诳蒲袑?shí)踐中，提出了一種新型雙端正激式DC/DC變換器的半橋拓?fù)浞椒?，特別適合于整流器、逆變器等具有高壓直流環(huán)節(jié)的電力電子系統(tǒng)。利用其現(xiàn)成的高壓直流環(huán)節(jié)，為系統(tǒng)的控制、驅(qū)動(dòng)和檢測(cè)保護(hù)供應(yīng)多路直流電源。與以往的雙端正激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比較，其特點(diǎn)是可以有效地防止上下兩橋臂在高頻pWM開關(guān)過程中易于出現(xiàn)的直通短路問題，使開關(guān)電源的可靠性大為提高。而且其輸入電壓可以很高，輸出直流電源容量大、組數(shù)多，尤其適用于中大功率電力電子系統(tǒng)。目前在國(guó)內(nèi)外尚無有關(guān)同類拓?fù)涞奈墨I(xiàn)報(bào)道。

鑒于所有半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的雙端正激DC/DC變換器，在直流輸入電壓高、高頻變壓器變比大的情況下，都存在磁通維持續(xù)流階段的不理想方面，本文提出了一種獨(dú)特的磁通維持續(xù)流控制方法。同時(shí)，為了解決開關(guān)電源的自啟動(dòng)問題，還給出了一種自舉電路控制方法。

2新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及工作原理

主電路采用如圖1所示的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。圖中變壓器原邊采用半橋式雙正激電路，主電路可直接利用高壓直流環(huán)節(jié)供電。兩原邊繞組L1、L2上下對(duì)稱，極性相反，共用同一鐵芯。這種結(jié)構(gòu)可以有效地防止在高頻pWM開關(guān)用途下，由于MOS管關(guān)斷不及時(shí)可能出現(xiàn)的上下橋臂直通現(xiàn)象。

圖中右上回路代表一系列帶有中間抽頭的副邊繞組及高頻整流濾波環(huán)節(jié)。它對(duì)副邊繞組兩端出現(xiàn)的正－零－負(fù)三電平交變高頻脈沖電壓，通過兩只快恢復(fù)二極管實(shí)現(xiàn)全波整流，然后進(jìn)行L-C濾波或直接電容濾波后穩(wěn)壓輸出。另外，為了穩(wěn)定輸出電壓和提高抗干擾能力，電路中還選擇了其中一組副邊為SG3525芯片的pWM控制供應(yīng)反饋電壓。

以下將每個(gè)開關(guān)周期分為三個(gè)階段，分析整個(gè)主電路部分的工作原理。首先要假設(shè)變壓器原邊電流的正方向是流入繞組同名端的。主電路中開關(guān)管M1、M2占空比變化范圍是0％～50％，且輪流導(dǎo)通。

（1）開關(guān)管M1導(dǎo)通時(shí)，電容C1的正向電壓加在原邊繞組L1上。在此電壓的激勵(lì)下，根據(jù)可推導(dǎo)出：

式中即輸入側(cè)直流電壓的一半，L為高頻變壓器的等效勵(lì)磁電感。在電路工作達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，每周期開關(guān)管M1剛導(dǎo)通時(shí)對(duì)應(yīng)的勵(lì)磁電流初始值I0應(yīng)為負(fù)值，并且勵(lì)磁電流以斜率U/L（常值）從負(fù)到正線性新增（這里要注意的是：流經(jīng)L1的電流是由其勵(lì)磁電流和總負(fù)載電流合成的，因而L1中電流的大小還取決于負(fù)載的輕重），同時(shí)各副邊繞組兩端感應(yīng)生成正向電壓脈沖。

（2）開關(guān)管M2導(dǎo)通的情況與M1類似，由于電容C2端電壓，相關(guān)于L2的同名端而言為反極性用途，其勵(lì)磁電流的初始值I0為正值，故此期間勵(lì)磁電流是以斜率U/L從正到負(fù)反向線性新增的，因而各副邊繞組兩端生成負(fù)極性電壓脈沖。

（3）當(dāng)M1、M2都不導(dǎo)通時(shí)，要主磁通勵(lì)磁電流保持在最大值I0不變，使各繞組磁通維持常值，根據(jù)法拉弟電磁感應(yīng)定律，主電路原邊繞組及各副邊繞組的端電壓在此期間內(nèi)均保持為零，從而使變壓器副邊電壓為三電平pWM脈沖波形，進(jìn)而保證輸出直流電壓具有可控性。

從上面的分析我們不難看出，主電路高頻變壓器的勵(lì)磁磁勢(shì)依照以下規(guī)律變化：

按照本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的上述工作原理，為了實(shí)現(xiàn)輸出直流電壓的可控調(diào)節(jié)，應(yīng)該做到兩個(gè)方面，其一是主電路中開關(guān)管M1、M2的pWM占空比都能在0～50％范圍內(nèi)持續(xù)變化；其二，在每個(gè)開關(guān)周期當(dāng)中，除兩只開關(guān)管按一定的pWM占空比輪流導(dǎo)通的時(shí)間之外，還有一段時(shí)間二者均不導(dǎo)通，此期間要保持勵(lì)磁電流不變，使得輸出感應(yīng)電壓為零。此外，為了使高頻變壓器鐵芯的主磁通在第1象限、第3象限內(nèi)的對(duì)稱交變有更寬的變化范圍，從而有利于減少繞組匝數(shù)，充分利用鐵芯和減小變壓器體積，應(yīng)設(shè)法使勵(lì)磁磁勢(shì)在兩開關(guān)管均不導(dǎo)通期間維持在正向或負(fù)向最大值不變。這就要求在L1和L2兩原邊繞組均不導(dǎo)通的情況下,由其它副邊繞組供應(yīng)勵(lì)磁續(xù)流磁勢(shì)，然而通過計(jì)算機(jī)仿真和實(shí)驗(yàn)研究的結(jié)果都表明，在直流側(cè)電壓較高而變壓器原、副邊變比較大的情況下，僅僅依靠類似于L4所在的副邊整流回路供應(yīng)勵(lì)磁續(xù)流，其波形是很差的，遠(yuǎn)不能達(dá)到理想的三電平pWM控制效果。正是針對(duì)這一問題，本方法專門設(shè)計(jì)提出了一種勵(lì)磁續(xù)流回路，如圖1中右側(cè)L3所在的回路所示?；芈分蠱OS管M7、M8均帶有反并聯(lián)二極管。在主電路半橋的上下兩管都不導(dǎo)通的時(shí)候，通過同時(shí)開通這兩只開關(guān)管，來維持主磁通的勵(lì)磁磁勢(shì)及勵(lì)磁電流的持續(xù)性，由于該回路電阻很小，勵(lì)磁電流近似維持不變。

3．pWM控制信號(hào)出現(xiàn)電路

主電路的pWM控制信號(hào)由SG3525出現(xiàn)出來。由于SG3525的控制簡(jiǎn)單且相關(guān)資料很多[3][4]，在這里不詳細(xì)給出它的周邊電路。SG3525根據(jù)變壓器副邊反饋的電壓信號(hào)Vfd調(diào)整輸出pWM控制信號(hào)的占空比，如圖2所示。由于主電路采用雙端正激式結(jié)構(gòu)，門極驅(qū)動(dòng)信號(hào)也要隔離，因此SG3525輸出端接于變壓器T2原邊兩端，兩個(gè)副邊分別以相反的極性來驅(qū)動(dòng)開關(guān)管門極。至于勵(lì)磁續(xù)流回路中兩個(gè)開關(guān)管的門極控制信號(hào)的控制邏輯，可以采用SG3525的兩個(gè)輸出信號(hào)的“或非”得到，從而保證在OUTA、OUTB有一個(gè)為高電平時(shí)，G3、G4就都輸出低電平。只有當(dāng)兩個(gè)輸出均為低電平時(shí)，G3、G4才為高電平，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)勵(lì)磁續(xù)流回路開通。

4．自舉電路分析

作為實(shí)際能夠應(yīng)用的產(chǎn)品，必須要做到能夠自啟動(dòng)，也就是自舉。要利用上電時(shí)的輸入直流高壓，來得到能夠供應(yīng)給控制芯片的初始電源，在主電路變壓器真正開始工作后，在某個(gè)副邊出現(xiàn)一定的電壓，再利用此電壓經(jīng)過一定的處理作為工作電壓供應(yīng)給控制芯片，這樣整個(gè)電路就可以正常工作了。

在許多開關(guān)電源的方法中，或者根本沒有提出自啟動(dòng)的解決方法，或者采用的是直接利用大電阻將主電路直流側(cè)高電壓分壓得到，在整個(gè)電源工作時(shí)期內(nèi)，它都要供應(yīng)電壓，消耗許多能量，從而使得系統(tǒng)的效率大大降低。本方法提出一種有效的解決辦法，如圖3所示。在上電初期，初始回路等效電阻較小，一旦工作電壓建立起來，初始回路等效電阻變?yōu)楹艽?，而且也不必為控制電路供?yīng)電源，因而提高了系統(tǒng)的效率。圖3中Vd為主電路輸入側(cè)直流電壓，V為由某次級(jí)線圈供應(yīng)的輸出直流電壓，R1阻值很大，R2相對(duì)R1要小得多。剛上電時(shí)，V為零，開關(guān)S1斷開。因此MOS管TR1導(dǎo)通。經(jīng)過穩(wěn)壓管穩(wěn)壓后作控制芯片的初始電源。一旦副邊電壓建立起來后，S1閉合，進(jìn)而拉低TR1的柵極電壓，使其關(guān)斷。要注意的是，R2可以取得很??；同時(shí)，支路的電阻R1由于場(chǎng)效應(yīng)管柵極電流極小的緣故，阻值可以取得很大。這一點(diǎn)防止了傳統(tǒng)的方法中電阻必須較小以供應(yīng)足夠大的電流的缺點(diǎn)，從而提高了工作效率。

5.仿真及實(shí)驗(yàn)波形分析

5.1仿真波形

基于上面的電路原理分析，有助于理解以下給出的計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果。本方法的可行性研究是通過pspice8.0軟件仿真來完成的。它的強(qiáng)大功能很適用于電力電子電路的原理及性能分析。仿真采用pspice內(nèi)置的元器件：主電路的MOS管采用IRFD150，高頻變壓器的模型由電感元件L和耦合系數(shù)元件K構(gòu)造而成。MOS管的開關(guān)頻率為40kHz，仿真時(shí)間為10ms。選取暫態(tài)仿真即得到如圖4中所示幾組波形，它可以更充分完整地說明前面分析的原理。

以下將分析各波形的出現(xiàn)原理及相互聯(lián)系。鑒于主電路變壓器原邊上下橋臂工作情況類似，只需觀察上橋臂的工作情況就可以較清楚地了解整個(gè)電路的工作原理。圖4（a）展示的是加在主MOS管M1門極的pWM控制芯片出現(xiàn)的波形（為了簡(jiǎn)化仿真，它只是邏輯電平。門極實(shí)際的電平變化請(qǐng)參照本文實(shí)際測(cè)量波形）；而加在M2的門極信號(hào)與之類似，只是從時(shí)間上交錯(cuò)開。

圖（c）是原邊繞組L1兩端的電壓：當(dāng)主MOS管M1導(dǎo)通時(shí)，使原邊線圈兩端用途以的正向電壓；當(dāng)M2導(dǎo)通時(shí)，由于L1、L2緊耦合且極性相反，則L1兩端為負(fù)電壓；當(dāng)M1、M2都關(guān)斷時(shí)，L1兩端電壓為零。

圖（b）是流過繞組L1的電流波形。從中也不難看出在主開關(guān)管M1導(dǎo)通時(shí)為一條線性新增的直線，由于它還包含了負(fù)載電流成分，因而此直線并不是正負(fù)對(duì)稱，而是向上平移了；在M1關(guān)斷時(shí)，L1不流過電流。圖（d）所示的是與圖（b）相關(guān)的勵(lì)磁續(xù)流回路的電流波形。在M1或M2開通時(shí)，勵(lì)磁電流由原邊供應(yīng)，此時(shí)該續(xù)流回路電流為零；當(dāng)M1、M2都關(guān)斷時(shí)，勵(lì)磁電流通過續(xù)流回路用途維持恒定的正值或負(fù)值，以維持磁通近似恒定。通過這兩個(gè)波形，進(jìn)一步證實(shí)了在前面原理分析中對(duì)勵(lì)磁電流變化規(guī)律的總結(jié)。

圖（e）是勵(lì)磁電流續(xù)流回路的MOS管M7的門極信號(hào)（M8的與之相同）。為了保證該回路能夠在M1、M2關(guān)斷時(shí)開通，兩門極信號(hào)之間采用了“或非”的邏輯關(guān)系。具體的電路結(jié)構(gòu)可參照pWM控制出現(xiàn)部分。

圖（f）是所關(guān)心的變壓器某一副邊繞組的波形。從圖中可看出，它只在M1導(dǎo)通時(shí)才出現(xiàn)正電平或M2導(dǎo)通時(shí)出現(xiàn)負(fù)電平，而在兩管均不通時(shí)，電壓為零；也就是說，可以通過改變主電路MOS管門極信號(hào)的占空。

比來達(dá)到控制輸出電壓的目的。這都是在勵(lì)磁續(xù)流回路的用途下才得以實(shí)現(xiàn)的，否則在M1、M2關(guān)斷期間，副邊也會(huì)出現(xiàn)很高的電壓，這便失去了輸出電壓的可控性。

5.2實(shí)驗(yàn)波形

在分析實(shí)驗(yàn)波形之前，應(yīng)該注意的是由于變壓器總會(huì)存在一些漏感，因此實(shí)際的波形與仿真得到的有一些細(xì)微差別，這是很正常的。

在圖5（a）中，上側(cè)波形就是前面提到的主電路上橋臂MOS管實(shí)際的門極信號(hào)，它是由SG3525的OUTA、OUTB合成的，下橋臂MOS管門極信號(hào)電平與其相反；圖5（a）下側(cè)波形是由OUTA、OUTB“或非”得到的勵(lì)磁續(xù)流回路MOS管的門極信號(hào)，從圖中可以很好的看到兩者的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

在圖5（b）中，下側(cè)波形就是其中勵(lì)磁續(xù)流回路的MOS管門極控制電壓信號(hào)；上側(cè)波形為變壓器某副邊繞組的電壓波形，可見只有在主電路MOS管開通時(shí)，副邊繞組兩端才有正向或負(fù)向電壓；而當(dāng)M1、M2均不導(dǎo)通時(shí)，繞組兩端電壓為零（由于漏感影響，有一些振蕩），依此可以達(dá)到通過改變占空比調(diào)壓的目的。

實(shí)際波形與仿真波形基本吻合，表明實(shí)驗(yàn)取得了期望的結(jié)果。

6.結(jié)語(yǔ)

在科研實(shí)踐中，提出了一種適用于中大功率開關(guān)電源的新型雙端正激式DC/DC變換器拓?fù)浞椒?。它除具有鐵芯利用率高，正負(fù)半周均可傳遞能量等優(yōu)點(diǎn)外，還可有效地防止上下橋臂直通短路問題。本文分析了其所構(gòu)成的開關(guān)電源主電路及控制、自啟動(dòng)等回路的結(jié)構(gòu)原理，同時(shí)還提出一種新型勵(lì)磁磁勢(shì)維持續(xù)流控制方法，有效地解決了其它方法的磁通維持階段波形變差的問題，特別適合于變頻器等直流輸入電壓高，高頻變壓器變比大的情況，具有較高的實(shí)用價(jià)值。