低压大电流DC/DC变换器拓扑分析

倍流结构中的变压器和滤波电感可以公用一个磁芯，简化了元件的包装和减小了体积。

　　2. 2. 3 变压器次级3 种结构的优选。

　　从以上分析可知，反激式的初级拓扑和中心抽头型的次级结构相对来说有很多不足。经过优选，适用于低压大电流的降压型初级拓扑有正激式、推挽式和桥式，而在次级整流拓扑中，正激式和倍流式两种更为适用于低压大电流。但是，推挽式和桥式等双端结构的初级拓扑显然不能和正激式的次级拓扑组合；而且，非对称的正激式初级结构虽然可以和倍流整流式的次级结构组合，但效果并不理想。

　　所以，可得出的优选拓扑组合是： ①初级正激式与次级正激式的组合； ②桥式与倍流式的组合； ③推挽式与倍流整流式的组合。即正激式变换器和带中心抽头的桥式变换器以及推挽正激式变换器。

　　3 正激式变换器

　　如图4 所示，正激式变换器的优点主要在于结构简单、次级纹波电流明显衰减，纹波电压低、功率开关管峰值电流较低、并联工作容易、可以自动平衡、属降压型变换器。因此，它是最早应用于低压大电流的变换器。但其缺点也很明显： ①需要一个额外的磁复位电路来避免变压器的磁饱和； ②对变压器的设计要求比较高，要求其漏感小，以减小续流管在关断过程中的损耗； ③同步整流中的死区过大使得其效率减小； ④整流管的体二极管不仅在导通的过程中增加了电路的损耗，而且在关断过程中，由于其反向恢复特征，也会引起能量损耗，这个损耗与反向恢复电荷、频率、次级电压成正比关系。

图4 正激式变换器结构图

　　以上问题有的已经得到很好的解决。正激式变换器在其同步整流的驱动中多采用自驱动方式。比较典型的自驱动方式有3 种电路，如图5 所示。

图5 正激式变换器中同步整流管的3 种自驱动方式

（谐振复位、有源钳位、零电压多谐振变换器）。

　　另外，为了改善整流管的死区问题，混合驱动方式采用了的电荷保持技术，此驱动方式也不失为一种好的驱动方式。

　　在文献[ 4 ]的实验中，采用LCD 复位和电荷保持混合驱动方式的正激式变换器在48V 输入，5V/10A 输出时，最高效率可达92. 3 %.

　　4 带倍流整流的桥式变换器

　　对于桥式变换器，以半桥式为例分析其特点。

　　带倍流整流的桥式变换器是近期提出的一种适用于低压大电流的拓扑。它虽然不需要额外的磁复位电路，但它在结构上较为复杂。比较图4 与图6 可看出，在变压器初级，它比正激式变换器多了一个开关管和两个电容；在次级则多了一个电感。相对正激式而言，其主要问题在于： ①必须采取合适的方法来防止磁芯的饱和； ②对于倍流整流电路，其最大的问题在于共态导通而导致的短路问题，其后果极其严重； ③半桥式变换器的两个MOSFET 也容易出现连通现象而引起短路； ④在开关转换过程中，高电压大电流的重叠现象会使电路的效率降低。

图6 带倍流整流的半桥式变换器结构图

　　对于第4 个问题，因为采用开关速度较快的晶体管并不能完全解决问题，必须采用加速关断技术，并且在开通和关断时间的配合上进行优化，才能使效率进一步提高。前3 个问题是可以得到解决的，例如在变压器初级串联一个适当的电容就可以解决第一个问题；设定一定的死区，在变压器次级电压不为零的时间内保证了两个整流管不同时导通就可以解决第二个问题；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就可以解决第3 个问题。

　　这种变换器虽有不足，但其优点是明显的： ①半桥式变换器的变压器工作于一、三象限，其效率比正激式的高出一半以上； ②它能承受更高的功率，在200~500W 之间； ③它不需要额外的磁复位电路；④次级倍流整流电路相对正激式电路来说，在相同纹波条件下，所需要的滤波电感之和更小，同时其动态响应速度得到提高； ⑤在同样的输出电流下，在初级功率管都关断的死区时间内，整流管的损耗比正激式的大大减小了。

　　如前所述，当前的研究主要是解决整流管在开关转换过程中出现的高电压大电流的重叠现象，对此，驱动方式是至关重要的。图7 列举了3 种可行的驱动方式[5 ] .但是，这3 种方式并没有使开关时间最优化。理想的方法是从效率角度考虑，分析电路效率与整流管关断及功率管开通的时间配合关系曲线，然后再选择适合的驱动方式。

　　在实验中[5 ]采用附加绕组驱动方法后，带倍流整流半桥的变换器在输入为4 8V ,输出为1 . 2~1. 65V/ 60~70A 情况下，最大效率超过84. 5 %.

图7 带倍流整流的桥式变换器中同步整流管的3 种驱动方式

　　5 推挽-正激式变换器

就常规推挽式结构来说，因功率开关管集电极应力两倍于输入电压，而且其主变压器的初级利用率亦不如半桥和全桥，其输出电压随