组合式双管正激直流变压器研究

    为了分析其工作状态，作如下假设：

    (1)变换器工作已经达到稳态；

    (2)S1、S2、S3和S4由理想开关、寄生二极管和电容构成，容值C1=C2=C3=C4=Cs；Cd3、Cd4分别为D3、D4的寄生电容，且有Cd3=Cd4=Cd ；

    (3)Lr1、Lr2为变压器原边串联电感，包含变压器两个原边的漏感，且有Lr1=Lr2=Lr ；

    (4)变压器T满足：Np1=Np2，Ns1=Ns2，且有匝比Np1/Ns1=n 。

    该直流变压器在半个周期内有五个工作模态，主要波形如图2所示，每个工作模态对应的等效电路如图3所示。

    2.1工作模态1 [t0，t1]   

    等效电路如图3(a)所示。在t0时刻以前，S3、S4关断，S1、S2开通，副边整流管D3导通，输入电源通过变压器原边Np1向副边传递能量。t0时刻，开关S1、S2关断，此后，电感Lr1、Lr2与开关寄生电容一起谐振。当S1、S2两端电压上升至Uin，S3、S4两端电压下降为零时，该模态结束。在该模态中，原边电感电流为： 

    上述四式中，为谐振角频率，为谐振特征阻抗。Ip为原边电流iNp1在t0时刻的值。

    2.2工作模态2 [t1,t2]   

    等效电路如图3(b) 所示。在t1时刻，开关S3、S4的寄生二极管导通，电感Lr1电流iLr1和电感Lr2电流iLr2在输入电压和副边折算到原边的电压共同作用下，分别线性下降和上升。该模态中，开关两端电压保持不变。在该模态中

    2.3工作模态3 [t2，t3]   

    等效电路如图3(b) 所示。在t2时刻，开关S3、S4导通，由于开关S3、S4的寄生二极管导通，开关为ZVS开通。电感Lr1电流iLr1和电感Lr2电流iLr2在输入电压和副边折算到原边的电压共同作用下，分别线性下降和上升。当两电感电流相等时，开关S3、S4的寄生二极管截止，相应的副边Ns1电流减小到零，副边整流二极管D3截止，该模态结束。在该模态中，漏感电流分别为：

   2.4工作模态4 [t3，t4]   

    等效电路如图3(c) 所示。在t3时刻副边整流二极管D3截止，变压器副边电压开始反向。该过程中电感Lr（原边电感Lr1、Lr2折算到副边的电感值）与副边整流二极管的寄生电容谐振工作，Cd4放电、Cd3充电。当副边电压为-Uo时，该模态结束。在该模态中

    上述三式中，为谐振角频率，为谐振特征阻抗。Is为副边电流iNs2在t4时刻的值。

[page]    2.5 工作模态5 [t4，t5]  

    等效电路如图3(d) 所示。在t4时刻，副边整流二极管D4导通，电源Uin通过变压器原边Np2向负载传递能量。同时电感Lr1电流iLr1和电感Lr2电流iLr2在输入电压和副边折算到原边的电压共同作用下，分别线性下降和上升。当开关S3、S4关断时，该模态结束。在该模态中，漏感电流分别为：

    从t5时刻开关管S3、S4关断之后，该变压器开始另半个周期工作，其工作过程和前半个周期类似，这里不再赘述。 

图3  直流变压器各模态等效电路

    3 输入输出特性

    直流变压器采用开环控制，每只开关管在接近0.5的占空比下工作。以S1、S2导通为例，直流变压器在稳态工作时的简化等效电路及副边电流波形，如图4所示。

图4 变换器的简化等效电路和副边电流波形

 图7给出了满载时驱动波形和变压器原边电流波形。

    从实验结果可以看出，理论分析和实验是一致的，从而验证理论分析是正确的。

    6 结论

    本文分析一种新型直流变压器，它可以实现隔离和变压，具有如下特点：该拓扑保留了双管正激变换器原边开关管电压应力低、不存在桥臂直通、可靠性高等优点；由两路双管正激变换器简化而来的，其原边共用两个箝位二极管，电路结构简单，而且采用变压器的磁集成技术，进一步减小了体积；由于开关实现了ZVS开通和关断，所以开关损耗小；由于输出滤波电容的箝位作用，副边整流二极管几乎没有电压尖峰。

    参考文献

    [1] Manjrekar M D，Kieferndorf R，Venkataramanan G．Power electronic transformers 

    for utility applications[C]．Conference record of the 2000 IEEE-IAS Annual Meeting, 

    2000:2496-2502.

    [2] Marchesoni M, Novaro R, Savio S. AC locomotive conversion systems without heavy 

    transformers： Is it a practicable solution [C]．Proceedings of the 2002 IEEE International 

    Symposium on Industrial Electronics, 2002:1172-1177.

    [3] 毛承雄, 范澍, 王 丹,等.电力电子变压器的理论及其应用(I)[J].高电压技术,2003,29(10):4-6.

    [4] 毛承雄, 范澍, 王 丹,等.电力电子变压器的理论及其应用(Ⅱ)[J].高电压技术,2003,29(12):1-3.

    [5] Yuan Cheng-ren, Ming Xu, Gary Yao, et a1. A novel simple and high efficiency DC/DC 

    transformer[C]. CPES, 2002: 173-177.

    [6] Ronan ER, Sudhoff S D, Glover S F, eta1． A power electronic-based distribution 

    transformer [J].IEEE Trans on Power Delivery. 2002, 17(2):537-543.

    [7] AlouP, Cobos JA, PrietoR, eta1. A two stage voltage regulator module with 

    fast transient response capability[C]. IEEE PESC, 2003:l38-143.

    [8] Yuan Cheng-ren, Ming Xu, Ching Shan-Le eta1. A family of high power density bus 

    converters[C]. IEEE PESC, 2004:527-532.