隔离式低压大电流输出DCDC变换器拓扑分析

极管 （ .$*%4456 ） 作为整流管。但即使是很好的 .$*%447 56， 也很难获得低于# 1 ’ 2 的正向导通压降， 因而整流 管的导通损耗占总损耗的比例很大， 降低了电源的效 率。而用于同步整流的低电压功率 89:;<! 管导通 电阻非常小， 正向导 通 压 降 很 低 （ 例 如 %& = 时 只 有
［’］ # 1 % 2） ， 导通损耗小， 可以有效的提高电源效率 。
通过以上分析可以得出， 采用同步整流的 >?@ 拓
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樊建辉 等： ! 隔离式低压大电流输出 !" # !" 变换器拓扑分析
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有很大差异； " 在相同条件下为满足相同的输出电压 纹波要求， 后两种整流拓扑所需的滤波电感值比前者 65L 所需滤波电感最 显著减小， 在# 1 ’’ - ! -# 1 & 时， 小。图 ) 给出了三种整流电路中变压器副边电流有效 值与占空比 ! 的对应关系。在 ! 相等时， 56L 拓扑变 压器副边电流有效值和半波方式相当， 这两种拓扑变 压器副边电流有效值与全波拓扑相比和占空比 ! 的 大小有关： 当 ! -# 1 ’’ 时， 前者比后者小； 当 ! .# 1 ’’ 时， 前者比后者大。但是全波整流拓扑变压器副边是 有中心抽头的两个绕组， 大电流情况下中心抽头变压 器设计和制作较为困难。综合讨论可知， 65L 拓扑通 过两个电感电流纹波的相互抵消作用使输出电流纹波 减小， 降低了对输出滤波器的要求， 并且变压器设计制 作简单， 可以采用小电感来获得快速动态响应。尤其 需要指出的是， 65L 拓扑特 别 适 合 于 应 用 磁 集 成 技 术， 从而能进一步改善低压大电流 56 7 56 变换器的效 率、 提高功率密度和加快瞬态响应速度。 # 1 $" 同步整流技术 所谓同步整流， 即用 8CIEH! 管代替常规的整流 二极管， 实现其栅极和源极之间的驱动信号与其漏极 和源极之间开关信号同步， 以使同步整流管起到和整 流二极管同样的作用， 即正向电压导通， 反向电压关 断。在低电压大电流的变换器中， 通常采用肖特基二
图 !" 倍流整流拓扑及波形图
效率也不高。一般来说， 对称的原边拓扑 （ 如对称半 桥、 推挽、 全桥等） 都可以与倍流整流电路相结合， 应 用于低压大电流输出的 ?> A ?> 变换器。这是因为对 称的原边拓扑可以获得对称的副边电压， 如果原边采 用非对称控制， 副边两个整流管就没有平分负载电流 的时段， 造成了非对称控制下整流器的损耗比对称控
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本文首先对隔离式 56 7 56 变换器副边三种整流 电路进行了分析和比较， 得出了其中的优化结构， 然后 对原边拓扑进行了分析和选择。对选出的原、 副边拓 扑进行组合以后， 得到了适合低压大电流输出的隔离 式 56 7 56 变换器拓扑。对优选的拓扑进行了分析， 介 绍了对其进行优化的方法。
#" 副边整流电路拓扑分析
# 1 #" 三种副边整流电路的比较 对于隔离式低压大电流输出变换器效率来说， 其
收稿日期： "##& 4#( 4#) 作者简介：樊建辉 （ %(*( + ） ， 男， 西南交通大学电气工程学院 研究生， 研究方向为电力电子技术。
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［%］ 制下整流器的损耗大 。所以， 不对称半桥拓扑和正
激拓扑不是十分适合低压大电流输出时应用。 在对称结构中， 全桥拓扑兼有原边开关管电压应
图 #" 半波整流拓扑及波形图
力和半桥一样， 电流应力和推挽电路一样的优点， 而且 便于采用软开关技术， 但其元器件个数较多， 开关损 耗、 导通损耗和驱动损耗都相对比较大。因此， 全桥拓 扑适用于利用其软开关特性来获得高效率的场合但却
［(］ 法 。文献 ［( ］ 中设计的同步整流的倍流整流半桥变
换器在输入为 () 5 *%# 7 ， 输出为% 4 " + % 4 $& 5 # $# + 效率均高于 )" 7 。 ,# 8 的范围内， 在半桥变换器的设计中， 要注意避免直通的情况， 解决的方法是设定两个功率管的死区， 保证其在任意 的时间内不同时导通。另外， 在半桥变换器的开关转 换 过 程 中， 会产生变压器原边绕组电流加倍的情
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研制开发
隔离式低压大电流输出 !" # !" 变换器拓扑分析
图 %" 三种整流电路中变压器 副边电流有效值与占空比 ! 的对应关系
$" 优选的低压大电流输出变换器拓扑分析
$ 1 !" 倍流整流半桥变换器 倍流整流电路与对称半桥拓扑相结合， 是一种比 较好的低压大电流输出 ?> A ?> 变换器拓扑。其电路 和工作波形如图 & 所示。这种变换器的一个突出优点 是当原边只有一个开关管关断时， 这个管子两端的电 压会箝制为输入电压， 这样每个开关管上承受的电压 应力比较小， 同时开关管的饱和压降也减小了很多。 另外半桥拓扑的变压器原边流过电流的时间占整个周
!" 引" 言
现代微处理器和集成电路芯片速度不断提高， 对 低压大电流输出 56 7 56 变换器的要求也越来越高。 近年来， 对低压大电流 56 7 56 变换器的研究方兴未 艾， 各种拓扑结构层出不穷， 多重多相、 交错并联、 磁集 成、 同步整流等新技术也应用于其中。其目的主要是 为了提高变换器动态响应速度、 稳定精度和变换效率。 对于下一代微处理器所需电流不断增大， 电压降低至 " 2 以下的要求采用 & 2 或 %" 2 作为其供电变换器输 入电压会显得太低， 因此需要把输入总线电压提高到 ), 2。相应的， 采用非隔离式变换器拓扑实现大变比 的电压转换不太现实， 所以采用隔离式变换器已是必 然。隔离式拓扑不仅能隔离变换器两边， 使其互不影 响， 从而提高安全性， 而且适合于优化设计
［(］ 。 并不适合于低压大电流输出的变换器
由以上分析可以得出对称半桥拓扑是一种适合隔 离式低压大电流 ?> A ?> 变换器的原边拓扑结构。 # 1 #" 推挽正激拓扑 传统的推挽拓扑最主要问题是当原边开关管关断
图 $" 全波整流拓扑及波形图
时， 变压器的漏感会产生很大的尖峰电压加在管子两 端， 从而产生大的关断损耗。因此这种变换器的效率 将受到变压器漏感的限制， 不会达到很高。为解决这 提出了一种推挽正激拓扑， 它集中了 一问题， 文献 ［& ］ 正激和推挽拓扑的优点， 其磁芯利用率高、 开关管电压 应力低、 能自动抑制变压器的偏磁。与半桥拓扑相比， 它的控制相对简单并且瞬态响应更快。当副边采用倍 流整流时， 这种拓扑很适合用于低压大电流输出 ?> A ?> 变换器。
图 !" 倍流整流半桥变换器及其工作波形图
推挽正激变换器中。提出了改进型推挽正激变换器 （ 如图 , 所示） 。这—拓扑比推挽正激拓扑多了一个 箝位电容， 并且原边绕组增多。 该变换器的开关电流和绕组电流与推挽正激变换 器中的相同。但输入电流却几乎是平坦的。这是由于 输入电流同时流过两个绕组且有纹波抵消作用。这正 是内置输入滤波器的作用。改进型推挽正激变换器的 输入滤波器尺寸可以大大减小， 或直接利用变压器的 漏感作为输入滤波器， 且可与变换器中其它磁元件集 成在一起， 使变换器的效率得到大的提高。
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/0+1 "& ， "##$ ，2%#1t; A ?> 变换器的优选副边整 流电路结构。
#" 原边拓扑分析
# 1 !" 常规原边拓扑 常见的隔离式 ?> A ?> 变换器原边拓扑有全桥、 半 桥、 正激、 反激和推挽这几种。其中的反激式变换器并 不适合低压大电流的要求， 因为它的输出纹波较大， 变 压器漏感会引起较大的电压尖峰， 功率比较低， 变换器
期的比例较大， 磁芯利用得更加充分， 同时提高了负载 突变时变换器的快速性。
［&］ 适用于低压大电流输出的情况。在实验中 ， 推挽正
激变换器在输入为 () 5， 输出为 % 4 " 5 # $# 8 的情况 下， 最大效率可达)’ 4 $ 7 。
图 %" 推挽正激变换器及其工作波形图
# 4 #" 改进型推挽正激变换器 进一步， 文献 ［$］ 将内置输入滤波器概念引入至
［%］
副边整流电路的拓扑尤为重要的。目前常用的低压大 电流副 边 拓 扑 有 倍 流 整 流 （ 6B))"+> 5%BK#" L"$>-;-")， 65L） 、 半波整流和中心抽头全波整流三种， 它们的结 "， ’ 所示。比较这三种整流拓扑 构和工作波形如图 % ，
［"］ 可知 ： 这三种拓扑没 ! 从整流管的导通损耗来说，
樊建辉， 罗乾超， 何圣仲 （ 西南交通大学 电气工程学院， 四川 成都 $%##’% ） ! ! 摘要：从拓扑、 应用方面论述了低压大电流变换器技术近期的发展。对隔离式 56 7 56 变换器原边和副边拓扑进行了 分析和比较， 得出了隔离式低压大电流输出 56 7 56 变换器的优选拓扑结构。阐述了带倍流整流的桥式拓扑、 推挽正激拓 扑以及改进型推挽正激拓扑的优点和工作特点。同时， 介绍了能提高变换器效率的同步整流技术。 关键词：56 7 56 变换器； 低压大电流； 拓扑； 同步整流 中图分类号：!3,$! !8)$% 文献标识码：9