谐振复位双开关正激变换器的研究

摘要：推荐了一种谐振复位双开关正激型DC/DC变换器。它不仅克服了谐振复位单开关正激变换器开关电压应力大和变换效率低的缺点，而且具有占空比可以大于50％的优点。因此，该变换器可以应用于高输入电压、宽变化范围、高效率要求的场合。对该拓扑的工作原理和特性进行了详细的描述。最后通过实验证实了该拓扑的上述优点。

关键词：谐振复位;双开关;正激变换器

1 概述

谐振复位单开关正激变换器，如图1所示，是一种结构比较简单、应用十分广泛的DC/DC变换器。它通过谐振电容C_r上的电压对变压器进行复位，该复位电压可以大于输入电压，因此，该变换器的占空比可以大于50％，适合于宽输入范围的场合。但和通常的单开关正激变换器一样，它的开关电压应力比较大，是输入电压的2倍左右，用于较高输入电压的场合有一定的困难。另外，每次开关S开通之前，C_r上电压为输入电压，在S开通时，不仅将S的寄生电容上的能量C_ossV_in²/2消耗在开关上，同时也将C_r上的能量C_rV_in²/2消耗在S上。而C_r又是外并的谐振电容，其值可能远远大于开关的寄生电容，所以，可以认为该变换器的等效开关损耗大大增加，效率将会受到严重影响。

图1 谐振复位单开关正激变换器

Fig.1 Resonant reset single switch forward converter

双开关正激变换器克服了主开关电压应力大的缺点，它每个开关的电压应力等于输入电压，是单开关正激的一半左右，适用于高压输入场合。而且双开关正激变换器是利用输入电压给变压器进行复位，结构上也比较简单，激磁能量和漏感能量回馈到输入侧，转换效率比较高。因此，这种双开关正激DC/DC拓扑被广泛地应用于工业界，不仅仅是高压输入场合。但是，这种双开关正激变换器有它的突出缺点，即只能工作在占空比小于50％的状态，所以，不适合用在变换范围非常宽的场合。

本文推荐了一种谐振复位双开关正激变换器，它综合了单开关谐振正激和双开关正激的优点，不仅可以工作在占空比大于50％的状态，而且又采用双开关结构，大大减小了开关的电压应力。因此，该变换器适用于高电压输入、宽变化范围的场合。

2 工作原理

谐振复位双开关正激变换器的电路如图2所示。图2中C_oss1，C_oss2，C_oss3分别为开关S₁，S₂，S₃的寄生输出电容，C_r为谐振电容，它并联在S₂的漏源极之间，因C_r远大于开关管的寄生电容，所以C_oss2可以忽略。L_m为激磁电感。为简化分析，输出电容C_o被认为无穷大而以恒压源V_o代替，并假定电路已经进入稳态。

图2 谐振复位双开关正激变换器

Fig.2 Resonant reset dual switch forward converter

该变换器的一个开关周期可以分为6个工作阶段，分别如图3的6个等效电路所示。相应的工作波形如图4所示，其中t₁－t₃为死区时间t_d1，t₅－t₆为死区时间t_d2，这些时间实际上非常短，在图中为了更清楚地表述，将他们画得比较大。6个工作阶段的工作原理分别描述如下。

1）阶段1〔t₀，t₁〕 如图3（a）和图4所示，该阶段S₁和S₂同时导通，加在变压器原边上的电压为输入电压V_in，激磁电流线性上升。同时副边整流二极管D_R1导通，续流二极管D_R2截止，电感L上的电流i_L线性上升。

2）阶段2〔t₁，t₂〕 t₁时刻，如图3(b)和图4所示，S₁和S₂同时关断，折算到原边的负载电流和激磁电流一起对C_oss1充电，使C_oss3放电，C_oss3上的电压v_ds3迅速下降。由于谐振电容C_r较大，在这么短的时间内C_r上的电压几乎没有上升，近似为零。因此v_T就近似等于v_ds3，也迅速下降。但此阶段变压器上的电压v_T仍为正，所以副边D_R1仍导通。

3）阶段3〔t₂，t₃〕 t₂时刻v_T下降到零时，副边二极管D_R1就截止，D_R2导通，i_L通过D_R2续流，在输出电压V_o的作用下线性下降。在原边，激磁电感L_m和谐振电容C_r谐振，在C_r上产生的谐振电压按正弦变化上升，该谐振电压同时对变压器进行复位，谐振电流流过S₃的体二极管，如图3(c)和图4所示。

4）阶段4〔t₃，t₄〕 t₃时刻，S₃的门极驱动信号v_gs3变高，S₃在零电压条件下开通，L_m和C_r继续谐振，C_r上的正弦谐振电压继续对变压器进行复位，谐振电流流过S₃，如图3(d)和图4所示。

5）阶段5〔t₄，t₅〕 如图3(e)和图4所示，C_r上的电压谐振到零后，激磁电流就流经S₂的体二极管，而S₃仍然导通，这时变压器原边的电压为零，激磁电流保持不变。副边仍然是D_R1截止，D_R2导通，电感电流继续下降。

6）阶段6〔t₅，t₆〕 如图3(f)和图4所示，S₃在t₅时刻关断，激磁电流对C_oss3进行充电，v_ds3一大于零，副边整流二极管D_R1就导通，激磁电流流向变压器副边，但它不足以维持负载电流，所以续流二极管仍然导通。由于D_R1及D_R2都导通，变压器上的电压被箝在零，激磁电流保持不变。而开关S₁上的电压被箝在V_in，S₂上的电压则为零。