PUSH-PULL变压器变比对升压电路效率影响的分析

一．目的

鉴于具有不同变比的Push-Pull变压器将对Push-Pull升压电路的工作模式有显著影响，它能导致输入电流波形、电流峰值的变化，从而决定BUS电压的高低。本研究的目的在于从变比出发，探讨在决定BUS电压的前提下，对升压电路效率影响。

二．实验仪器及设备

IDRC Digital Power Meter CP-350

Chroma 6230K-55 DC Power Supply

Fluke HYDRA Data Acquisition Unit

SAKO 1KVA UPS    SAKO 2KVA UPS

三．变比对升压电路产生影响的基本原理

对于Push-Pull电路而言，与其它具有电感的能量传递电路一样，其电流由加在电感上的电压、作用时间以及初始电流所决定。其基本关系为：

由于变压器绕组的电阻相对于电感很小，同时由于频率足够高（50KHz），因此可以将电阻忽略不记。在输出稳定的条件下，认为BUS电压稳定不变。在MOSFET导通时，变压器原边绕组上的电压为电池电压，原边初始电流为I_p0，副边初始电流为I_s0，显然有 ，则在MOSFET关断时，

原边电流峰值I_pmax为：

                                           （1-1）

副边电流峰值I_smax为：

                                        （1-2）

式中：

V_dc是电池电压；

      L_p是变压器原边电感；

      L_s是变压器副边电感；

      t _on是MOSFET的导通时间；

      n是匝比，n =n_s:n_p;

MOSFET关断后，原边没有电流，副边通过全桥整流二极管续流。对于我们公司采用的线路，除1KVA外，整流桥后侧全都加有续流电感。以2KVA为例，续流电感正负BUS各一组，每组300uH。变压器副边漏感约为50uH。所以，副边续流电感上的电流为：

                                      （1-3）

续流结束时，续流电感上的电流就是副边的起始电流：

                                    （1-4）

式中：

V_BUS是正负BUS平均电压；

L_s是副边漏感；

L_e是续流电感；

t_c是续流时间；

在电路达到稳态时，应有，即每一个脉冲的初始电流是相同的。解之可得：

                                           （1-5）

由此可得到在临界模式或连续模式时占空比与电路其他参数的关系：

                                        （1-6）

将C2KVA的实际参数带入验证，与测试数据吻合。

考虑电流模式在临界状态下（）的情况，假定传输的功率为P。则有：

                                                  （1-7）

在功率不变的条件下，随着电池电压的升高，维持临界状态所需的续流时间t_c变小，电路不容易进入电流连续模式，从而造成效率下降，此时可以通过增加L_e使电路重新回到电流连续模式去，使电路保持较高的效率。

同样，若考虑原边参数，有：

                                                （1-8）

因此，增加原边匝数，有助于电路保持在连续模式，但变压器的设计将会遇到困难。

通过以上分析，可以得知，变压器上的电流工作模式与BUS电压、变比、电池电压输入功率有关，在不同参数下，电流将呈出如下三种模式：

1．电流不连续模式

当变压器的变比较高时，按Push-Pull电路的电压变比公式

                                                    （1－9）

可知，变压器导通时间与变压器变比成反比。在原边输入功率及输入电压保持不变的情况下，导通时间将随变比的增加而变得越来越小，原边峰值电流将越来越大。在变比不变并同样保持功率不变的前提下，按式（1－8）可知，随电池电压的增长，导通脉宽将越变越窄，也使电流峰值越来越高。

图1　不连续模式下升压管上的电流波形

2．电流临界模式

　　随着变压器变比的减小，按式（1－7）可得，续流时间tc与变比n成反比，按式（1－9）导通时间也与变比反比例，因此副边有电流的时间将越来越长。当t_on+t_c=0.5T时，电流达到临界模式。这时的电流波形如图2所示。

图2　临界模式下升压管上的电流波形

3．电流连续模式

随着变比的进一步减小，t_c+t_on>0.5T，即表明此时副边的电流在半个脉宽内将不能到零，此时另一个升压管导通，则必然在原边感应出一个初始电流，使电流模式由临界模式进入连续模式。如图3所示。在此情况下，升压管上流通的电流接近于梯形，它的峰值较小。

图3　连续模式下升压管上的电流波形

开关管的损耗分为两部分：导通损耗与开关损耗。二者的计算公式相同，都是加在管子DS两端的电流与电压乘积的积分：。但是，开关管在导通状态下，其导通电阻或导通压降是一定的，在电流相同的情况下，其导通功耗也是相同的。虽然它也将受到脉宽的影响，但脉冲消失后，它也将拥有一降温过程，从一个导通周期来说，导通损耗还是一定的。但是，开关损耗却大不一样，它与开通及关断期间的电压、电流还有开通、关断时间有关。对于Push-Pull升压电路而言，输入电压是不变的，但输入电流峰值却在随变比的增大而增大，它所产生的开关损耗也同步增大；而逆变电路则正好相反，电流基本不变，但电压却是两个BUS之和，它的损耗与BUS电压同步增长。关于开关损耗的电压电流波形见图4所示。

图4　升压管DS电压与电流波形

四．实验结果

　　为了验证不同变比对电流导通模式的影响，我们利用1KVA和2KVA来进行测试。在1KVA中，做了原边匝数分别为3匝和4匝，副边匝数变化的变压器；在2KVA中，做了原边匝数分别为4匝和5匝，副边变化的数个变压器。由于各种机型的输入电压不同，但却都有相同的BUS电压设定值，在此情况下，变比不能正确反映电流的导通模式。具以前分析可知，升压电路原边的电流导通模式与所能达到的BUS电压相关，而对BUS电压的要求却是一致的，同时，由于升压电路的损耗是很难测出，可以用温升表示其损耗。因此，可以利用BUS电压与升压管温升的关系来表征变压器变比参数对升压电路效率的影响。

图6

图6所示的升压管温升随BUS电压的变化曲线是比较稳定的，变化范围不超过5℃。这是由于变压器副边匝数在34~40之间变化时，它一直工作在电流连续模式下，电流峰值均无太大改变，从而保持升压管温升的恒定。当将副边的续流电感去掉后，升压管的温升立即上升达10℃左右。

图7

　　图7所示的曲线与图6相比在高压段有所差别，当BUS电压从380.9变化到380.2时，升压管温升可相差13℃。这时的电流波形已经从图3的电流不连续模式转变为电流临界模式，电流峰值产生了较大的差异，从而导致温升的大幅变化。

　　2KVA所用的升压电路中，在变压器在副边有一300uH之电感，可起到续流作用，以使原边电流为连续模式。所以，在图6、7中，变比虽大，但电流模式的变化却小，总的来说是稳定的。

图8

图8是用在1KVA上的升压变压器对效率的影响。图中BUS较低（低于380V）时，升压管的温升还是基本恒定的，变化范围在5℃以内，但在电压大于380V的情况下，温升变化非常剧烈，达到BUS电压变化1V，温升变化达到22℃。这是由于此时的变比很大（3：40），电流极度不连续，峰值极大，导致温升极高。这种情况，在更大变比下更加明显，对于3：60的变压器，在带载10秒后温升即超过100℃。

图9

与图6一样，图9中温升基本保持恒定，波动不超过4℃。

由于1KVA中的升压电路不含续流电感，当BUS电压超过380V，电流易于转变为不连续模式，从而导致高压下温升的变化比2KVA明显。

五．结论

从理论分析和实验结果可知，对Push-Pull升压电路效率的影响不在于BUS电压本身的大小，而在于变压器本身在工作时的电流模式：连续模式下的变压器在升压管上造成的损耗更小。除了变比的选择外，还可在副边串上具有续流作用的元件，以在较高BUS情况下使电流连续。