第2章并－串/并型双管正激组合变换器2.1概述双管正激变换器具有开关管电压应力低、内在抗桥臂直通的能力、可靠性高、电路拓扑简单等优点，是目前国内外工业界在输出中等功率应用场合中首选的电路拓扑之一。

  但双管正激变换器受变压器磁芯复位的限制，最大输出占空比只能达到0.5，要获得较高的输出电压，必须靠提高变压器的变比，增加了副边二极管电压应力，限制了在输出高压场合的应用。

  为了保留双管正激变换器的优点，同时克服其缺点，提高等效占空比和输入输出电压增益，减小开关管电流应力和副边二极管电压应力，本章主要研究了三种双管正激组合变换器：一种采用耦合电感的并－串型双管正激组合变换器，一种采用耦合电感的并－并型双管正激组合变换器，和一种并－并/串型双管正激组合变换器。

  2.2并－串型双管正激组合变换器（a）独立电感输出电容端串联（b）副边续流二极管串联(c)耦合电感输出电容端串联图2.1 三种并－串型双管正激组合变换器两组双管正激变换器的开关管导通相位互差180O，在输入端并联、输出端串联方第2章 并－串/并型双管正激组合变换器式构成的并－串型双管正激组合变换器有三种，如图 2.1（a ）～2.1(c)所示：分别为采用独立电感在输出电容端串联、副边续流二极管串联和采用耦合电感在输出电容端串联。

  其中图 2.1(a)所示并－串型组合变换器中的两组双管正激变换器，在工作上相当于两个独立的变换器，每个变换器输出一半的电压；图 2.1（b ）所示续流管串联型组合变换器，文献【24】已做讨论。

  本节主要研究采用耦合电感在输出电容端串联的并－串型双管正激组合变换器，并对三种并－串型组合变换器的特性作一比较。

  2.2.1采用耦合电感的并－串型双管正激组合变换器为便于分析图 2.1（c ）所示的并－串型双管正激组合变换器，作如下假定：组合变换器已达到稳态，耦合电感中两线圈电流工作在连续模式，开关管和二极管均为理想器件，忽略变压器漏感，两耦合线L L L ==），两输出滤波容电压相等、均为输出电压的一半。

  变换器模块电源被愈来愈普遍地应用于各种电 子设备中，随着电子设备本身的功能越来越复杂， 集成度慢慢的升高，它对变换器也提出了更高的要求， 需要在提供更大功率的同时，要求更小的体积、功 耗和更高的稳定性。双管正激变换器因初级开关管 的电压应力低，具有内在的抗桥臂直通能力 , 可靠 性高 , 而获得了广泛的应用。但是双管正激变换器 也有自身的弱点。未解决单路双管正激变换器工 作占空比小于 0.5，可采用两路或更多路双管正激 变换器进行串联或并联的组合，采用并 - 并或串 - 并 组合式双管正激变换器提高了变换器等效工作占空 比，增加输出电压纹波频率，减小输入和输出电流 纹波，使滤波器的体积和重量减小，故对其两种组 合方式来进行研究。

  1 绪论随着计算机、电子技术的快速地发展，电子技术的应用领域愈来愈普遍，电子设备的种类也慢慢变得多，电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切。

  1．1 开关电源的发展开关电源被誉为高效节能电源，代表着稳压电源的发展方向，现已成为稳压电源的主流产品。

  按转换电能的种类，可分为直流-直流变换器（DC/DC变换器），是将一种直流电能转换成另一种或多种直流电能的变换器[1]；逆变器，是将直流电能转换成另一种或多种直流电能的变换器；整流器是将交流电转换成直流电的电能变换器和交交变频器[18]四种。

  这种传统稳压电源技术比较成熟，并且已有大量集成化的线性稳压电源模块，具有稳定性能好、输出纹波电压小、使用可靠等优点。

  由于调整管工作在线性放大状态，为了保证输出电压稳定，其集电极与发射极之间必须承受较大的电压差，导致调整管功耗较大，电源效率很低，一般只有百分之四十五左右[16]。

  另外，由于调整管上消耗较大的功率，所以需要采用大功率调整管并装有体积很大的散热器，很难满足现代电子设备发展的要求。

  20世纪50年代，美国宇航局以小型化、重量轻为目标，为搭载火箭开发了开关电源。

  在近半个多世纪的发展过程中，开关电源因具有体积小、重量轻、效率高、发热量低、性能稳定等优点而逐渐取代传统技术制作的连续工作电源，并广泛应用于电子整机与设备中。

  到了20世纪90年代，开关电源在电子、电气设备、家电领域得到了广泛的应用，开关电源技术进入快速发展时期。

  开关型稳压电源采用功率半导体器件作为开关，通过控制开关的占空比调整输出电压。

  本科毕业设计（论文）双管正激同步整流变换器***燕山大学2012年6月本科毕业设计（论文）双管正激同步整流变换器学院（系）：里仁学院专业：08应电2班学生姓名：***学号：***指导教师：***答辩日期：2012/6/17燕山大学毕业设计（论文）任务书Abstract摘要随着电力电子变换器在通讯系统的广泛应用，低压大电流功率变换器成为一个重要的研究方向。

  文章详细介绍了双管正激变换器的拓扑结构及工作原理，阐述了其拓扑结构的特点。

  利用状态空间平均法推导出该变换器的小信号模型，以此为基础设计出电压控制模式的闭环设计思想，并指出了如何进行反馈补偿器的设计。

  对于高频整流环节，由于传统的二极管整流电路正向压降大而导致损耗大，极大地影响整个变换器的工作效率，而无法满足低电压大电流开关电源高效率、小体积的需要。

  新一代的功率MOSFET由于具有导通电阻极低的特点而成为低电压大限流功率变换器的首选整流器件。

  本文介绍了利用功率MOSFET构成同步整流电路的工作原理、驱动方式，并对整流MOSFET的双向导电特性进行了说明。

  摘 要：从克服双管正激变换器的缺陷以及利用软开关提高电路的效率两个方面对双管正激变换器进行了总

  双管正激变换器具有开关管电压低、无桥臂直通 危险、可靠性高等优点，广泛应用于中、高功率场合； 但存在变压器工作在第一象限、开关管的工作占空比 通常小于 ０．５、整流输出电压和电流的脉动大、输出端滤 波器的体积大等缺点［１］。现有绝大多数相关文献主要讨 论双管正激变换器缺点的解决方案以及如何利用软开 关提高电路效率的问题。从提高电路效率方面考虑，双 管正激变换器软开关以往被分为无源辅助电路式、有 源辅助电路式以及无需辅助电路式３ 种。本文对现有文 献进行了分析和评价，提出了一种模块化划分软开关 的新方法。

  Ｆｉｇ．１１ ＬＣＤ ｃｌａｍｐｅｄ ｄｕａｌ ｓｗｉｔｃｈ ｆｏｒｗａｒｄ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ

  虽然变压器的初级只有一个绕组，但由于有续流二极管的存在，所以传输电能和回馈激磁电能都可以用这个绕组，结构简单，变压器的储能回馈过程如下：当开关管V1 和v2 同时关断时，变压器初级电压up 反向到略大于或近似等于输人电压ui，具有磁场能量的电流通过续流二极管D3 和D4 向直流电源Ui 回馈电能。

  此外，由于工作绕组电压（一uP）直接被续流二极管D3 和D4 钳位在Ui 上，所以加在开关管上的电压几乎没有过电压尖峰，对开关管更加安全（如果有回馈能量的去磁绕组时，工作绕组和回能绕组之间漏感能量会使工作绕组产生相应的过电压，影响钳位的效果，为了避免这种影响，需要另加吸收电路）。

  例如，开关管V1 与二极管D3 串联承受电压Ui，当开关管V1 导通时D3 承受的电压为Ui 当D3 导通时V1 承受的电压为Ui 所以：

  当前级的输出电压为400V 时，即Ui＝400 V，则开关管V1、V2 和续流二极管D3、D4 可以选用500 V 的器件（相应的单管正激式电路需要用1000 V 的器件）。

  因500 V 耐压器件的电流大，产品多，价格便宜，而且耐压相对低的器件开关速度较J 映，所以双管单端正激式转换器适合用于高电压输人（如800 V 或1000 V），大功率输出的场合（如10 kW）。

  高效率双管正激变换器的研究一、课题来源、意义、目的、国内外概况与预测如何提高电能的利用率一直是电力电子领域最为重要的研究方向，而且必将成为未来该领域研究热点，并在某种程度上决定电力电子技术未来的兴衰命运。

  DC/DC 变换技术一直是开关电源技术的重点，也是开关电源技术发展的基础。

  DC/DC 变换是开关电源的基本单元，其他各种形式的变换电路都是DC/DC 变换电路的演变。

  DC/DC 变换技术的发展伴随着开关电源技术发展，也是发展最快的电源变换技术之一。

  在各种隔离式DC/DC 变换器中,单管正激变换器由于具有电路结构简单、成本较低、输出电流大、工作可靠性高等优点而广泛应用于中小功率变换场合，更成为低压大电流功率变换器的首选拓扑结构。

  传统双管正激变换电路使得正激电路的主开关电压应力减小了一半左右，但是受复位机制的限制，它的工作占空比只能小于0.5，不适合电压范围较宽的场合。

  且开关管工作在硬开关状态下，开关损耗大，在不断追求高频化的今天，显得不合时宜。

  本着最大可能提高电路效率的原则，本文着重研究了一种高效率双管正激变换器。

  目前，通常采用的磁复位方法主要有以下几种： (1) 采用辅助绕组复位； (2) 采用RCD 复位； (3) 采用LCD 复位； (4) 采用谐振复位； (5) 采用有源钳位复位。

  1、辅助绕组复位正激变换器VOV图一所示的单端正激变换器的隔离变压器有三个绕组：一次绕组1N 、二次绕组2N 和去磁绕组3N 。

  在随后的off T 时间内，T 阻断，2D 截止，1D 导通续流，3D 导通向电源回馈能量。

  正激同步整流变换器分析摘要：同步整流技术的广泛应用促进了低电压大电流技术的发展，但是，使用同步整流技术会造成开关电源在轻载情况下的低效率问题。

  以正激式同步整流变换器为例，从电感电流连续和断续两种状态，分析了轻载工况下的工作情况。

  关键词：同步整流；CCM；DCM；环路电流；振铃O 引言随着计算机、通讯和网络技术的迅猛发展，低压大电流DC/DC变换器成为目前一个重要的研究课题。

  传统的二极管或肖特基二极管整流方式，由于正向导通压降大，整流损耗成为变换器的主要损耗。

  功率MOSFET导通电阻低、开关时间短、输入阻抗高，成为低压大电流功率变换器首选的整流器件。

  1 同步整流正激变换器图l给出的是一种电压自驱动同步整流正激变换器，图l中两个与变压器耦合的分离辅助绕组N4、N5用来分别驱动两个同步整流管S201、S202。

  当主开关管导通时，变压器副边绕组上正下负，S201栅极电压为高，导通整流；主开关管截止时，副边绕组下正上负，续流S202栅极为高，导通续流。

  如果采用如图1所示的辅助绕组复位电路，在复位结束过程之后，变压器电压保持为零的死区时间内，输出电流流经续流同步整流管S202，但是S202栅极无驱动电压，所以输出电流必须流经S202的体二极管。

  M0SFET体二极管的正向导通电压高，反向恢复特性差，导通损耗非常大，这就使采用MOSFET整流的优势大打折扣，为了解决这一问题，较为简单的做法是在S202的漏极和源极之间并联一个肖特基二极管D201，在S202截止的时间内，代替S202的体二极管续流，这一方法增加的元件不多，线路简单，也很实用。

  为了优化驱动波形，可以采用分离的辅助绕组来分别驱动两个同步整流管，比起传统的副边绕组直接驱动的同步整流变换器来说，这种驱动方式无工作电流通过驱动绕组，因此不需要建立输出电流的时间，MOSFET能够迅速开通，开通时的死区时间即体二极管导通的时间减少了一半。

  「开关电源电路分析」双管正激同步整流直驱电路分析双管正激同步整流直驱电路分析双管正激变换器电路图如图1 所示。

  双管正激变换器结构简单，由开关管VT1、VT2，二极管D1、D2；同步整流管SR1、SR2，变压器，电感L，电容C和负载R组成。

  图1 双管正激直驱同步整流电路双管正激直驱同步整流主要波形图电路图双管正激同步整流变换器各点的波形和工作过程如图2 所示。

  当双管正激变换器工作在电感电流连续导电模式时，在一个开关周期中，双管正激变换器可以分为三个工作过程。

  (1) 第一阶段(t0~t1)：在t0时刻，开关管VT1、VT2导通，流过的电流为次级折算到初级电流和励磁电流之和，即iN1=IO/n+im变压器原边绕组的电压为上正下负，D1、D2截止，每个二极管承受电压为Vi；与其耦合的副边绕组电压也为上正下负，且uN2=Vi/ n，SR1栅极电压为Vi/n，SR1导通；SR2的栅源电压Vds1为负值，(Vds1为SR1的导通压降，Vds1值很小可以近似为零)SR2关断，SR2漏源承受的电压为Vi/n。

  流过二极管SR1和L的电流相等，流过最大电流为Vo/(nRo,min)。

  输入电能通过同步整流SR1传递给负载，同时将部分能量储存在输出回路中的储能电感L中，直到t1时刻，开关管VT1、VT2关断；(2) 第二阶段(t1~t2)：t1时刻，VT1、VT2关断后，每个开关管两端所承受的电压为Vi。

  原边绕组电压为上负下正，D1、D2导通，存储在漏感中的所有能量通过两个二极管D1、D2回馈给电源，流过D1、D2的电流为励磁电流。

  副边绕组电压为上负下正，且uN2=-Vi/n，SR2栅源电压为Vi/ n，SR2导通，流过SR2和L的电流相等；SR1栅极电压为负，SR1关断，承受的反向电压为Vi/n。

  此时，储能电感L将储存的磁能变为电能，通过同步续流管SR2继续向负载供电。

  1绪论随着计算机、电子技术的高速发展，电子技术的应用领域越来越广泛，电子设备的种类也慢慢的变多，电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切。

  1．1开关电源的发展开关电源被誉为高效节能电源，代表着稳压电源的发展趋势，现在已经成为稳压电源的主流产品。

  按转换电能的种类，可分为直流-直流变换器（DC/DC变换器），是将一种直流电能转换成另一种或多种直流电能的变换器[1]；逆变器，是将直流电能转换成另一种或多种直流电能的变换器；整流器是将交流电转换成直流电的电能变换器和交交变频器[18]四种。

  这种传统稳压电源技术很成熟，并且已有大量集成化的线性稳压电源模块，具有稳定性能好、输出纹波电压小、使用可靠等优点。

  因为调整管工作在线性放大状态，为了能够更好的保证输出电压稳定，其集电极与发射极之间一定要承受较大的电压差，导致调整管功耗较大，电源效率很低，一般只有百分之四十五左右[16]。

  另外，因为调整管上消耗较大的功率，所以要采用大功率调整管并装有体积很大的散热器，很难满足现代电子设备发展的要求。

  20世纪50年代，美国宇航局以小型化、重量轻为目标，为搭载火箭开发了开关电源。

  在近半个多世纪的发展过程中，开关电源因具有体积小、重量轻、效率高、发热量低、稳定性很高等优点而逐渐取代传统技术制作的连续工作电源，并大范围的应用于电子整机与设备中。

  到了20世纪90年代，开关电源在电子、电气设备、家电领域得到了广泛的应用，开关电源技术进入加快速度进行发展时期。

  开关型稳压电源采用功率半导体器件作为开关，经过控制开关的占空比调整输出电压。

  华中科技大学硕士学位论文高效率双管正激变换器的研究姓名：吴琼申请学位级别：硕士专业：电力电子与电力传动指导教师：熊蕊20070210摘要高功率密度、高可靠性和高稳定性是现代电力电子功率变换器不断追求的目标。

  双管正激变换器作为一种主要的电力电子功率变换器，由于其开关电压应力低，具有内在抗桥臂直通的能力可靠性高等优点，使得它在通信电源、焊接电源、计算机电源等很多领域都得到了广泛的应用。

  本文旨在不增加原主电路和控制电路复杂性的基础上，从变压器原边主开关管驱动方式和副边整流电路两个方面，对传统双管正激电路做出改进，提高电路的效率。

  文章对改进后电路的工作过程及具体应用时遇到的问题做出了分析，给出了解决方案。

  与传统电路相比，改进后的电路控制电路得到了简化，两个主开关管中的一个能够工作在零电流开通和零电流关断状态，同步整流电路克服了死区和轻载环路电流的影响，电路的整体性能得到了提高。

  实验过程中利用峰值电流型PWM控制芯片UC2845，制作了一台15V/300W的样机，实验证明样机工作稳定，各种保护功能完备，改进后的双管正激电路较传统电路效率提高3～4个百分点，整机满载效率最高可达88％。

  对传 统双 管正激 电路做 出改 进 ， 将两 个 开 关 管 分 成 主管和辅 管 ， 管 为主管 利 用 Ｐ 下 ＷＭ 芯 片 直接 驱 动 ， 上管为 辅管利 用 主变压 器辅助 绕组 上 的电压实 现 自 驱动 ， 同时辅 管工 作 在零 电流 开 通 和零 电流关 断状 态 ， 利 于电路 整流效 率 的提高 。实验证 明 ， 有 电路 简

  Ｆｉ． Ｏｕｐｕ ｏｔｇ ｄ ｒｒ ｔｄ ｉｐｕ ｏ ｔｇ ｇ３ ｔ ｔｖ ｌ ｅ ｕｎ ｅ ａｅ ｎ ｔｖ ｌａ ｅ ａ

  图 ２所 示 为 一 种 自绕 组 驱 动 同 步 整 流 电 路 ， ＭＯ Ｓ管 的驱动是 通过 变压 器 副 边绕 组 实 现 的 ， 当原 边开关 管 Ｑ 开 通 时 ， ， 副边 绕 组感 应 出 电压 ， 时 ｓ 此 ：

  利用 ｓｂ ｒ 件对 主 电路 进 行 开 环仿 真 。主 电 ａｅ 软 路 所 用 参 数 ： 入 电压 ：５—１０ ５ Ｈ ， 出 电压 输 ９ ５ Ｖ，０ ｚ 输

  电 流 ： ５ ２ Ａ， 开 关 频 率 ： ０ Ｈ ， 出 功 率 ： １ Ｖ， ０ ５ｋ ｚ 输 。

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  本科毕业设计（论文）双管正激同步整流变换器***燕山大学2012年6月本科毕业设计（论文）双管正激同步整流变换器学院（系）：里仁学院专业： 08应电2班学生： ***学号： ***指导教师： ***答辩日期： 2012/6/17燕山大学毕业设计（论文）任务书摘要随着电力电子变换器在通讯系统的广泛应用，低压大电流功率变换器成为一个重要的研究方向。

  文章详细的介绍了双管正激变换器的拓扑结构及工作原理，阐述了其拓扑结构的特点。

  利用状态空间平均法推导出该变换器的小信号模型，以此为基础设计出电压控制模式的闭环设计思想，并指出了怎么样做反馈补偿器的设计。

  对于高频整流环节，由于传统的二极管整流电路正向压降大而导致损耗大，极影响整个变换器的工作效率，而不足以满足低电压大电流开关电源高效率、小体积的需要。

  新一代的功率MOSFET由于具有导通电阻极低的特点而成为低电压大限流功率变换器的首选整流器件。

  本文介绍了利用功率MOSFET构成同步整流电路的工作原理、驱动方式，并对整流MOSFET的双向导电特性进行了说明。

  所以，广义地说，凡用半导体功率器件作为开关，将一种电源形态转变成为另一形态的主电路都叫做开关变换器电路；转变时用自动控制闭环稳定输出并有保护环节则称为开关电源（switching power supply）。

  开关电源主要组成部分是DC-DC变换器，因为它是转换的核心，涉及频率变换。

  目前DC-DC变换中所用的频率提高最快，它在提高频率中碰到的开关过程、损失机制，为提高效率而采用的方法，也可作为其他转换方法参考。

  本文研究的对象为双管正激变换器，它是一种直流功率变换器，直流功率变换器按输入与输出之间是否有电气隔离可分为两类：非隔离直流变换器和隔离直流变换器。

  隔离直流变换器通常是在非隔离变换器拓扑的基础上，加入变压器实现输入输出间的电气隔离。

  1.2低电压、大电流的开关电源的开发（1）低电压、大电流变换器的要求数据处理系统的速度和效率日益提高，新一代微处理器的逻辑电压低达1.1-1.8V，而电流50-100A，其供电电源——低电压、大电流输出DC-DC变换器模块，又称为电压调整器模块（VRM）。

  新一代未处理器对VRM的要：输出电压很低，输出电流大，电流变化率高，响应快等。

  （2）双管正激电路的特点及发展现状单管正激式和反激式开关电源的高频变压器只工作在磁滞回线的第一象限，只有单一方向的磁通，利用率不高；推挽式电路的按对称转换的原则工作，两个开关管轮流导通，磁芯双向磁化，但是每一时刻原边只有一个绕组有电流流过，绕组的利用率和效率较低，如果副边绕组也带中心抽头，则绕组利用率更低；半桥式变换器的开关管在开关时开关电压值减小为直流输入的一半，但与推挽式变换器相比，输出相同的功率，开关管导通时的电流增加了一倍；全桥式变换器的变压器与半桥式变换器一样都工作于一、三象限，磁芯双向磁化，变压器的利用率较高，理论上开关管电压应力为输入电压，输出相同功率，开关管流过的电流为半桥式变换器的一半，因而可以应用在较大功率的场合。

  但是推挽式、半桥式、全桥式变换器均存在变压器磁通不平衡即直流偏磁问题，这是由开关管的开关特性差异或驱动的不对称引起的，需要采用电流型控制策略或在变压器初级串入一隔直电容加以抑制。

  双管正激变换器由于结构相对比较简单、可靠性好、成本低廉、在工业领域的大中小功率场合得到了广泛的应用。

  双管正激变换器把两只开关管串接起来使用，变压器原边串接在两个功率管中间，并在两个功率开关管与变压器两端并联一个二极管，使开关管上承受的电压为输入电压的1/2，降低了开关管的电压应力，较单管正激变换器相比更适应与输出大功率场合，而且其磁复位也比单管正激变换器容易。

  而和反激变换器相比，其变压器不再起点感作用，而是一个完全意义上的变压器，只起输入输出隔离和电压变化的作用，只储存激磁所需的少量能量。

  双管正激变换器的自身结构可以看作是有一个开关管跟一个二极管串联组成的两个桥臂构成，所以不存在桥臂直通的问题，相对于全桥、半桥变换器来说可靠性好。

  随着DC-DC变换器技术的发展，软开关、谐振变换技术的应用，DC-DC 变换器电路的工作方式，从最初的硬开关PWM式，向谐振式和谐振PWM式方向发展。

  正激变换电路适用于小功率DC-DC变换器中，而且其控制方便等优点而得到普遍的应用。

  （3）同步整流在开关电源中的应用随着超大规模集成电路的集成度越来越来高、尺寸不断减小、工作频率逐步的提升和功耗不断降低，其供电电源的电压也随之要求越来越低、电流却不断增大。

  例如新一代高速数据处理系统要求电源输出80-100A，0.8-1.2V。

  输出电压为3-5V的DC-DC开关变换器，一般都会采用肖特基势垒二极管作为输出整流管，由于材料物理特性和制造工艺水平的限制，其正向压降约为0.3-0.6V、甚至达到1V，大电流时的通态功耗很大在输出电压低于3V的开关变换器的总损耗中将占主要比重，例如可能达到50%。

  而现代高速集成电路的电源电压，以降低到几乎能和SBD正向电压科比的程度。

  SBD不能够满足低压大电流输出变换器的效率要求，利用功率MOS管导通时正向压降小的特点，降功率MOS管反接，可当作低电压输出开关变换器的功率整流二极管使用，称为同步整流管。

  1.3 本章小结本章对开关电源的发展做了一些概括，对低压大电流的开关电源的发展现状做了介绍。