推挽式变压器

1、推挽全桥双向直流变换器的研究1 引言随着环境污染的日益严重和新能源的开发，双向直流变换器得到了越来越广 泛的应用，像直流不停电电源系统，航天电源系统、电动汽车等场合都应用到了 双向直流变换器。越来越多的双向直流变换器拓扑也被提出，不隔离的双向直流变换器有 Bi Buck/Boost、Bi Buck-Boost、Bi Cuk、Bi Sepic-Zeta ;隔离式 的双向直流变换器有正激、反激、推挽和桥式等拓扑结构。不同的拓扑对应丁不 同的应用场合，各有其优缺点。 推挽全桥双向直流变换器是由全桥拓扑加全波整 流演变而来。 推挽侧为电流型，输入由蓄电池供应，全桥侧为电压型，输入接在 直流高压母线上。

2、此双向直流变换器拓扑适用在电压传输比拟大、传输功率较高 的场合。本文分析了推挽全桥双向直流变换器的工作原理，通过两种工作模式的分析，理论上证明了此拓扑实现能量双向流动的可行性，并对推挽侧开关管上电压尖峰形成原因进行了分析，提出了解决方法，在文章的最后给出了仿真波形和实 验波形。2 工作原理图 1 为推挽全桥双向 DC/D 破换器原理图。图 2 给出了该变换器的主要波形。 变换器原副边的电气隔离是通过变压器来实现的，原边为电流型推挽电路，副边为全桥电路，该变换器有两种工作模式：1升压模式：在这种工作模式下 S1、 S2 作为开关管工作；S3 , S4 , S5 , S6 作为同步整流管工作，整流

3、方式为全 桥整流，这种整流方式适用丁输出电压比拟高，输出电流比拟小的场合。由丁电感 L 的存在 S1、S2 的占空比必须大丁 0.5。2降压模式：在这种工作模式 下 S3 , S4 ,S5 , S6 作为开关管工作，S1、S2 作为同步整流管工作，整流方 式为全波整流。分析前，作出如下假设：所有开关管、二极管均为理想器件；所有电感、电容、变压器均为理想元件；2.1 升压工作模式在升压工作模式下，原边输入为电流型推挽电路，副边输出为全桥整流电路。S1 , S2 作为开关管工作，S3 , S4 , S5 , S6 作为同步整流管工作。电感电流工作 丁连续模式。图 1 推挽全桥双向 DC/DC换器o

4、 4TIf T图 2 推挽全桥双向 DC/DC换器电路波形以一个开关周期 T 为例：。时刻&导通，仍然导通，交压器原边处于短蛾盗瓣曳通经、，脆凯点通，因电流同tg的和气的非“端温入贱乱 当两电流相等睇 两愿嫌麝的合成磁势为零，铁心赚鲂竞线圈中没有感应电势。*加在A上，舞 电流上升电感谱能.时畅电流达最大噬%m,匕时刻关断号，恿瓣S经娜&构成回路，铁心磁化，约感应电势强 端为正最，岚同步整流。T/f、与Of毙访 2时刻开通&此酎&仍然导通 魏熟g瓣，电 感储繇妇乙 这段时间的工作状态与匕2类似，妇时刻关断&，耳仍然导通，黑原1流经附1，况流通，铁心去磁，电

5、电流下降。由电感在四分之一个周期内的伏秒积分为山碍电路的直流增益为：时时苛砂_攻。*吼1K 虬 21-风上面的公式中吒=昭1+肌小R为开关管纨的占空比。2.2 降压工作模式在降压工作模式下，输入为全桥电路，输出为全波整流电路。S3 , S4 , S5 ,S6 作为开关管工作，S1 , S2 作为同步整流管工作。以一个开关周期 T 为例：Of顼时刻如 乩关断，是，&还未开通，观龄建1幢朝，窸携感感S电势反相，通姓&,，续流。左r/2：t.时刻开通&，品|路的七“端为正，矶的感应电势“H端为正， 通，蛔能量开始回朝|嫌772与。4类似，772时刻关断见，头，此时&，

6、彘还未开通，通过&，&， 将电感储肓曾专递给原边。!网7与*172类似，*旅时刻开通S*W沔的端为负，砂1的感应电势“端为负，W 导通，副麒嚣开始传iM绐原边。由电感在四分之一个周期内的伏秒积分为山得电路的直流增益：时K唔小 5匕路2=静妇1一0上面的公式中坊为&,凯，% 是的占空比由此可见，当，与S汕&与乩,，互补工作时，输入输出电压关系是相由此可见，当与，；与，互补工作时，输入输出电压关系是相同 的，变换器具有很好的可逆性。3缓冲电路推挽全桥双向直流变换器推挽侧的两个开关管在关断时有较大的电压尖峰。这是由丁电感和漏感的存在。因为两管的占空比大丁 0.5,所以

7、存在共同的导通时 问，当这段时间结束关断其中一个开关管时，会引起很大的 ，形成较大的电压 尖峰加在开关管上。而全桥侧由丁是电压型且不存在短路问题， 所以没有电压尖 峰的问题。基丁以上问题就需要采用适宜的缓冲电路来缓解电压尖峰问题。3.1缓冲电路分析与选择缓冲电路分为有损缓冲电路和无损缓冲电路两类， 有损缓冲电路结构简单，便丁 设计参数，例如 RC 唯冲电路；无损缓冲电路虽不会造成电路的损失， 但一般结 构复杂，参数设计不易，有时还会影响开关管的选择，例如 LCD 爰 7 中电路。基丁 以上原因，决定采用LCD 有损缓冲电路。3.2 RCD 缓冲电路图 3 是采用了 RCC冲电路的推挽全桥双向直

8、流变换器。 当开关管关断时，缓冲 电路中的D 迅速导通给 C 充电，由于电容的特性，开关管DSIH的电压缓慢上升。 当开关管开通时，C 上的能量再通过开关管和 R 消耗掉。C 和 R 的参数设计十分 重要，C 选的过小会影响效果，过大会加大损耗，R 的设计取决于 C,要使 C 上的能量在开关管开通时全部放掉。一般(3)公式中 为开关管最小导通时间。图 3 带 RCDS 冲电路的推挽全桥双向DC/DC 变换器图四是未加缓冲电路和加了 RC 弦冲电路的推挽侧开关管 的DSIH的仿真波形。由仿真波形可看出未加缓冲电路时电压尖峰大小几乎为电压平台的四倍，加了缓冲电路后电压尖峰降低为平台的两倍。缓冲效果

9、还是比拟好的。图 4 开关管的 DS 问的仿真波形4电路主要参数设计4.1高频变压器设计：己知；町=48七仲* = 3如。，月=2知7，危 5 低粉1.确定铁心型号选用EE55B型磁芯.有效面积4 =422相加七 窗口面积385,4用淞七 磁芯最有凝 =1倘7%, &=1，足=03由公式 以核算磁芯：SQ=2虹x 10*=13.92m* 陆中为&，乩，哙的 T 周期内的导通时间，片为额定功率*2.变比由公式 E算出变压器匝比。L/xr = 2呼噩xio E= -xlO3= 22.85* 2B SHI取网3= 24,算出幻=4，那么网2.12.1 电感计算电感计算电感铁心尺寸的大

10、小决定于所要求幌怫自的大小,f 根据在某一卜绐定的最小输上 功率时保持电流I临界苗来碰定,同时，电感线圈要能流过最大的电潦上邮对也于嗣 输出功率，由公式算出电感大小，=P-0 5C7=23,04由5 5 实验结果实验结果为了验证该电路的工作原理，完成了一个2kw的样机。主要奏数为，* =灯=3的心冷 只=2成，?=5皿位， = 24必八图 5 所示为开环升压模式实验波形，图 6 为开环降压模式实验波形，由图可 以看出加了 RCtg 冲电路的推挽全桥双向 DC/D 破换器推挽侧开关管在关断时有 较大的电压尖峰，约为电流平台的两倍与仿真结果一致， 同时该电路很好的实现 了电流的双向流动，与理论分析

11、一致。(4)品的驱劫把顷勰，电压放脱 3 曷的心拊聊I螟胶照6 结语本文分析了推挽全桥双向 DC/DC 变换器，该变换器适用丁电压传输比拟大，需要 电气隔离的大功率场合,推挽侧开关管电压尖峰的问题可通过缓冲电路得到缓 解。0.2 .整流输出推挽式变压器开关电源整流输出推挽式变压器开关电源，由丁两个开关管轮流交替工作，相当丁两个开 关电源同时输出功率，其输出功率约等丁单一开关电源输出功率的两倍。因此， 推挽式变压器开关电源输出功率很大，工作效率很高，经桥式整流或全波整流后， 仅需要很小的滤波电感和电容，其输出电压纹波就可以到达非常小。图 1-30 是桥式整流输出推挽式变压器开关电源工作原理图，除

12、了整流滤波电路 以外，其余局部电路的工作原理根本与图1-27 相同。桥式整流电路由 D1、D2、D3 D4 组成，C 为储能滤波电容，R 为负载电阻，Uo 为直流输出电压，Io 为流(F S的I题劫也晡迎顺族形&歌恿雄炒 电暮电冰映昭图5升伍横&仙磁昭M)可的嗫摞良砂电零电任峡彤图6降庄粮式女她庵过负载电阻的电流。图 1-30图 1-31 是全波整流输出的推挽式变压器开关电源工作原理图，同样，除了整流 滤波电路以外，其余局部电路的工作原理根本与图 1-27 和图 1-30 相同。但开关 变压器的次级需要多一个绕组，两个绕组N31、N32 轮流输出电压；全波整流电路由 D1、D2

13、 组成，C 为储能滤波电容，R 为负载电阻，Uo 为直流输出电压，Io 为流过负载电阻的电流。T T眼UdUd图31图 1-30 与图 1-31 比拟，桥式整流输出的推挽式变压器开关电源比全波整流输出 的推挽式变压器开关电源多用两个整流二极管，但全波整流输出的开关变压器乂比桥式整流输出的开关变压器多一组次级线圈。因此，图 1-30 桥式整流输出推 挽式变压器开关电源比拟适用丁输出电流相对较小的情况；而图1-31 全波整流输出推挽式变压器开关电源比拟适用丁输出电流相对较大的情况。因为，大电流整流二极管本钱高，而且损耗功率也比拟大。下面我们来详细分析图 1-30 桥式整流输出推挽式变压器开关电源和

14、图 1-31 全波 整流输出推挽式变压器开关电源的工作原理。由丁图 1-30 桥式整流输出推挽式变压器开关电源或图 1-31 全波整流输出推挽式变压器开关电源的电压输出电路中都接有储能滤波电容， 储能滤波电容会对输入脉动电压起到平滑的作用，因此，图 1-30 和图 1-31 中输出电压 Uo 都不会出现 很高幅度的电压反冲，其输出电压的峰值 Up 根本上就可以认为是半波平均值 Upa 其值略大于正激输出 nUi,即：桥式整流输出推挽式变压器开关电源或全 波整流输出推挽式变压器开关电源，整流滤波输出电压Uo 的值略大于正激输出nUi, n 为变压器次级线圈 N3 绕组与初级线圈 N1 绕组或 N

15、2 绕组的匝数比。因此，推挽式变压器开关电源的输出电压 uo,主要还是由1-131式来决定。 即：推挽式变压器开关电源的输出电压 uo K1 或 K2 接通期间，约等于开关变 压器次级线圈 N3 绕组产生的正激式输出电压 Up 或 Up-的半波平均值 Upac Upa-:uo = Upa = nUi- K1 接通期间 1-134或 uo = Upa- = nUi K2 接通期间 1-135上式中，uo 为推挽式变压器开关电源的输出电压，n 为变压器次级线圈 N3 绕组 与初级线圈N1 绕组或 N2 绕组的匝数比，Ui 为开关变压器初级线圈 N1 绕组或 N2 绕组的输入电压。图 1-32 是桥

16、式整流输出或全波整流输出推挽式变压器开关电源，在两个控制开 关 K1 和 K2交替接通和断开，且占空比 D 均等于 0.5 时，各主要工作点的电压、 电流波形。图 1-32-a 和图 1-32-b 分别表示控制开关 K1 接通时，开关变压器初级线圈N1 绕组两端的电压 u1 的波形，以及流过变压器初级线圈 N1 绕组两端的电流 i1 波形；图1-32-c 和图 1-32-d 分别表示控制开关 K2 接通时，开关变压器初级 线圈 N2 绕组两端的电压u2的波形， 以及流过开关变压器初级线圈 N2绕组两端 的电流i2的波形； 图1-32-e 和图 1-32-f 分别表示控制开关 K1 和 K2 轮

17、流接 通时，开关变压器次级线圈 N3 绕组两端输出电压 uo 的波形，以及流过开关变压 器次级线圈 N3 绕组两端的电流波形。图 1-32-f 中，虚线箭头表示反激式输出电流是由最大值开始，然后逐渐减小 到最小值；而实线箭头表示正激式输出电流那么是由最小值开始，然后逐渐增加到最大值；因此，两者同时作用的结果，正好输出一个矩形波。图 32从图 1-32-e 可以看出，输出电压 uo 虽然还是由两个局部组成，一局部为输入 电压 Ui通过变压器初级线圈 N1 绕组或 N2 感应到次级线圈 N3 绕组的正激式输出 电压uo;另一局部为励磁电流通过变压器初级线圈N1 绕组或 N2 绕组存储的能量产生的反

18、激式输出电压uo;这里反激式输出电压uo不会再使波形产生反 冲，是因为储能滤波电容会把反冲电压吸收掉，使其成为充电流。由丁推挽式变压器开关电源输出电压的半波平均值Upa 幅值根本上是稳定的，它不会像反激式输出开关电源那样，输出电压的幅值随着控制开关占空比的改变而 改变。因此，如果需要调整推挽式变压器开关电源输出电压，只能通过改变两个控制开关的占空比，来改变输出电压的平均值。因此，在输出电压可调的推挽式 变压器开关电源电路中，必须要在整流输出电路后面加接一个 LC 储能滤波电路， 才能从整流输出的脉动直流电压中提取平均值输出。图 1-33 是输出电压可调的推挽式变压器开关电源电路。实际上图 1-

19、33 就是在图1-31 全波整流输出推挽式变压器开关电源电路的根底上，在整流输出电路后面 加接了一个LC 储能滤波电路。 LC 储能滤波电路的工作原理与图 1-2 申联式开关 电源中的储能滤波电路工作原理根本相同。不过，在全波整流输出的LC 储能滤波电路中可以省去一个续流二极管，因为用丁全波整流的两个二极管可以轮流充 当续流二极管的作用。关丁 LC 储能滤波电路的详细工作原理，请参考?1-2-2 .申 联式开关电源输出电压滤波电路?章节。由丁图 1-33 中两个控制开关占空比 D 的可调范围很小小丁 0.5,并且在一 个周期内两个控制开关均需要接通和关断一次， 因此，输出电压的可调范围相对 来说要比单激式开关电源输出电压的可调范围小很多；但双激式开关电源比单激 式开关电源，具有输出功率大、电压纹波小、电压输出特性好等优点。图 1-33图 1-34 是输出电压可调的推挽式变压器开关电源各主要工作点的电压、电流波图 1-34-a 表示控制开关 K1 接通时，开关变压器初级线圈 N1 绕组两端的电压 波形；图1-34-b 表示控制开关