两种双管反激型DC/DC变换器的研究和比较

1 概述

反激型DC/DC变换器因结构简单、成本低廉而广泛应用于各种辅助电源和小功率电源中。但是，单管反激变换器主开关电压应力大，在输入电压较高的场合使用起来比较困难。另外，反激变换器的变压器漏感一般比较大，导致主开关上产生很高的电压尖峰，使电压应力进一步增加。传统的双管反激变换器如图1所示，其两个主开关的电压应力为输入电压，克服了单管反激开关电压应力大的缺点，并且漏感能量可以回馈到输入侧，不需要吸收电路，但它带来了占空比D不能大于50％的缺点，在宽范围场合应用有局限性。本文提出了一种能工作在占空比大于50％条件下的双管反激变换器，如图2所示，不过它和传统的双管反激相比也并非十全十美，其漏感能量需要外加缓冲电路来吸收。本文详细、客观地分析和比较了这两种双管反激变换器在工作原理和特性上的差异，阐述了一些独特的观点，并且给出了两种双管反激的实验结果比较，旨在为电源设计者选用这两种双管反激变换器时提供理论依据和参考数据。

图1 传统双管反激DC/DC变换器

Fig.1 Conventional dual switch flyback DC/DC converter

(a) 结构之一 (b) 结构之二

图2 改进后的双管反激DC/DC变换器

Fig.2 Improved dual switch flyback DC/DC converter

2 工作原理

为了分析方便，假设各器件具有理想特性，电感、电容足够大，输入电压没有脉动，电路已经进入稳态。

传统双管反激变换器在两个开关管S₁及S₂导通期间，加在变压器原边的电压为输入电压V_in，原边电流流过S₁及S₂，并且线性上升。副边二极管反向偏置，副边电流为零。当S₁及S₂同时关断后，原边电流逐渐下降到零。二极管D₁及D₂随即导通，由于实际电路中漏感的影响，变压器原边上的电压被钳在－V_in，副边二极管因此导通。储存在原边漏感中的能量全部反馈到输入侧后，D₁及D₂关断，变压器原边电压降至副边绕组反射电压－nV_o（n为变压器原边对副边的变比），副边二极管维持导通，直到下一开关周期开始。

改进的双管反激变换器，如图2（a）及图2（b）所示，有两种结构，是为了克服传统双管反激变换器占空比不能大于50％的缺点而提出的，因此，称之为宽范围双管反激变换器。该变换器与传统双管反激结构上的区别在于分别去掉了一个钳位二极管，这样会有一个主开关的电压应力得不到限制，可能造成过压，所以，要对两个开关的关断次序进行人为的控制。对于图2（a），S₂应该比S₁先关断；对于图2（b），S1应该比S2先关断。图2（a）及图2（b）所示两种结构的工作原理是类同的，下面就仅对图2（b）的结构进行分析。

同样，在S₁和S₂导通期间，加在变压器原边上的电压为V_in，原边电流线性上升，同时副边二极管截止。随后，将S₁关断，S₂继续导通，激磁电感和S₁的结电容C₁谐振，考虑到实际中激磁电感非常大而结电容非常小，并且这段时间又非常短，所以，可以看成原边电流对C1进行恒流充电，C₁上的电压线性上升。一旦C₁上的电压到达V_in，D₁就导通，变压器上电压为零，原边电流流过S₂和D₁且保持不变。当S₂也关断后，激磁电感和S₂的结电容C₂谐振，同样可以看成原边电流对C₂恒流充电，C₂上的电压线性上升。当C₂上的电压上升到nV_o时，D₁关断，原边电流为零。此时，副边二极管开始导通，变压器原边电压被输出电压V_o钳在－nV_o，作为复位电压，激磁电流线性下降。S₁和S₂重新开通后，进入下一开关周期。

3 特性比较

从以上的分析可以看出，传统的双管反激和宽范围双管反激在工作原理上十分类似，但是，两者的特性有比较大的差异。

3.1 开关电压应力

传统的双管反激变换器两个开关管S₁及S₂的电压应力不会超过输入电压，因为，C₁或C₂上的电压一旦大于输入电压V_in，D₁和D₂就相应导通，将C₁及C₂上的电压峰值钳在V_in。即使是漏感在开关管上引起的电压尖峰也会被D₁及D₂钳位，不会高于输入电压。因此，传统双管反激变换器主开关的电压应力均为输入电压V_in。

对于图2（b）所示的宽范围双管反激变换器，主开关S₁的结电容C₁上电压达到V_in时，D₁就相应导通，因此，S₁上的电压不会超过V_in。而当主开关S₂的结电容C₂上电压上升至nV_o时，D₁关断，副边二极管导通，因此，S₂上的电压不会超过nV_o。可见该变换器主开关S₁及S₂的电压应力分别为V_in及nV_o。如果是图2（a）所示的变换器，则主开关S₁及S₂的电压应力分别为nV_o及V_in。但是，实际电路中漏感的存在，会引起图2（a）中的S₁或图2（b）中的S₂上产生比较大的电压尖峰，相应的电压应力要增加。所以，宽范围双管反激变换器的其中一个开关管的电压应力要比传统双管反激的开关电压应力大一些。