推挽式Boost DC/DC 變換器的研究

　　摘要：隨著電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展，雙向DC/DC 變換器的應(yīng)用日益廣泛。文章提出在雙向 DC/DC 變換器中用到的一種推挽式Boost DC/DC 變換器，全面分析這種變換器的工作原理并闡述其缺點(diǎn)，利用PSPICE 仿真軟件對(duì)其進(jìn)行建模仿真。

　　引言

　　電力變換技術(shù)是開關(guān)電源的基礎(chǔ)和核心。由于生產(chǎn)技術(shù)的不斷發(fā)展，雙向DC /DC 變換器的應(yīng)用也越來越廣泛，主要有直流不停電電源系統(tǒng)( DC-UPS) 、航空電源系統(tǒng)、電動(dòng)汽車等車載電源系統(tǒng)、直流功率放大器以及蓄電池儲(chǔ)能等應(yīng)用場合。而雙向DC /DC 變換器中，升壓變換和降壓變換是雙向DC /DC 變換器中兩個(gè)組成部分，在DC /DC 升壓式電路中，通常采用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有Boost、Buck、Boost 和推挽三種。而當(dāng)輸入電壓比較低，功率不太大的情況下，一般優(yōu)先采用推挽結(jié)構(gòu)。本文著重介紹一種推挽式Boost DC /DC 變換器，對(duì)其工作原理進(jìn)行分析并對(duì)這種變換器進(jìn)行建模及仿真。

　　1 推挽式Boost DC/DC 變換電路工作原理

　　推挽式Boost DC /DC 變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖1所示，前面一級(jí)升壓電路可以看作是一個(gè)Boost 升壓電路，通過調(diào)整開關(guān)管S1的占空比來調(diào)節(jié)變壓器原邊輸入電壓; 后面一級(jí)升壓電路是一個(gè)推挽式變換電路，也可以看作是由兩個(gè)正激式變換器組合來實(shí)現(xiàn)的，該變換器是由一個(gè)具有中心抽頭的變壓器和兩只開關(guān)管S2、S3構(gòu)成的。這兩個(gè)正激式變換器在工作過程中相位相反，在一個(gè)完整的周期中交替把能量傳遞給負(fù)載，所以稱為推挽式變換。

　　圖1 推挽式Boost DC/DC 變換器

　　功率開關(guān)管S1、S2、S3的發(fā)射極直接連接在電源負(fù)極，因此該變換器的驅(qū)動(dòng)電路繼承了一般推挽式變換電路的優(yōu)點(diǎn)：基極驅(qū)動(dòng)十分方便、簡單，不需要進(jìn)行電氣隔離就可以直接驅(qū)動(dòng)。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)緊湊、驅(qū)動(dòng)電路簡單以及升壓效果明顯等優(yōu)點(diǎn)。

　　升壓變換時(shí)其具體的工作過程如圖2 所示，高壓側(cè)開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)被封鎖。功率開關(guān)管S1和升壓電感L1構(gòu)成的Boost 電路將電源電壓初次升高到一定的電壓值; S2和S3驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比均為50 %，構(gòu)成的推挽變換電路將升高后的直流電壓變換成交流電壓，通過高頻變壓器傳送到副邊，并將電壓進(jìn)一步升高，利用反向電路中的開關(guān)管的反并二極管進(jìn)行整流。

　　在任一時(shí)刻，電流僅僅流過一個(gè)開關(guān)器件，這大大降低了變換器的通態(tài)損耗，同時(shí)提高了變換器的效率、縮小了變換器的體積。

　　開關(guān)管S1、S2、S3的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，以及開關(guān)管所承受的電壓波形、電感L1中的電流波形，如圖2 所示。

　　圖2 升壓變換時(shí)開關(guān)管上的電壓、電感中的電流和變壓器副邊電壓波形

　　在分析之前，假設(shè)所有的開關(guān)器件和整流二極管器件均為理想器件，變壓器為理想變壓器，電感L1足夠大，能夠保證流過它的電流的連續(xù)性。其中電容C2是為了防止電流偏磁的。

　　各開關(guān)狀態(tài)如下：

　　( 1) t0 ～ t1階段

　　t0時(shí)刻，S1導(dǎo)通，低壓側(cè)直流電壓加在L1的兩端，電感中的電流線性增長。此期間電源對(duì)電感充電，儲(chǔ)存能量，為了能夠保證電流的連續(xù)性，要求電感L1要足夠大。這期間雖然開關(guān)管S2有觸發(fā)信號(hào)，但是開關(guān)管S1的導(dǎo)通對(duì)L2回路形成短路，加在變壓器原邊的電壓為零，變壓器副邊輸出電壓也為零。

　　( 2) t1 ～ t2階段

　　t1時(shí)刻，S1關(guān)斷，S2承受正向電壓導(dǎo)通，L1中的電流將通過開關(guān)管S2流經(jīng)變壓器，此時(shí)變換器對(duì)負(fù)載供電，L1中的電流線性下降。

　　( 3) t2 ～ t3階段

　　t2時(shí)刻，S1再次導(dǎo)通，工作過程同t0 ～ t1階段。

　　( 4) t3 ～ t4階段

　　t3時(shí)刻，S1關(guān)斷，S3承受正向電壓導(dǎo)通，L1中的電流將通過開關(guān)管S3流經(jīng)變壓器，此時(shí)變壓器對(duì)負(fù)載供電，L1中的電流線性下降。

　　通過分析得到如下結(jié)論：該電路采用Boost 升壓電路和推挽式升壓電路兩種升壓電路相結(jié)合的方式對(duì)輸入電壓進(jìn)行升壓，大大地提升了升壓的整體效率。但是其主要缺點(diǎn)是：電路主體部分仍然采用硬開關(guān)電路，造成的開關(guān)損耗也比較大，變換器的工作效率受到一定的限制。因此有必要對(duì)變換電路進(jìn)行改進(jìn)，可以將串聯(lián)諧振軟開關(guān)技術(shù)[4，5]引入到推挽式Boost 變換器中。

　　2 建模與仿真

　　為了驗(yàn)證上述分析，下面應(yīng)用PSPICE 電路仿真軟件對(duì)這種推挽式Boost DC /DC 變換電路進(jìn)行建模仿真，觀察其仿真波形。

　　( 1) 圖3 給出了升壓變換電路的主電路的仿真圖，其仿真主要參數(shù)如下：

　　輸入直流電壓： Uin = 28 VDC; 輸出直流電壓： Uo= 270 VDC; 變壓器原、副邊匝比： n = 5; 升壓電感： L4= 200 μH; 輸出濾波電容： C1 = 200 μF; 開關(guān)管：

　　IRF460; 功率二極管： MUR460。

　　( 2) 功率開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)設(shè)置

　　首先在Pspice 的Schematic 中繪制如圖3 所示的電路原理圖，選用暫態(tài)分析，在給定輸入激勵(lì)信號(hào)的作用下，調(diào)用PspiceA/D 程序進(jìn)行電路的模擬仿真。