双正激电路中变压器激磁电感对电路工作影响的研究

摘要:分析了双正激DC/DC变换电路中的高频变压器激磁电感与工作占空比、开关频率之间的关系，给出了电路正常工作的极限值，并给出了3kw开关电源仿真和实验的波形。

叙词：双正激DC/DC变换器 激磁电感

1 前言
双晶体管正激变换器为主电路，功率MOSFET为主开关器件，当用于高功率场合时，主开关需用多个功率MOSFET并联，导致漏极和源极之间的寄生电容C很大，当变压器激磁电感较大，工作频率较高且电路工作于较大占空比时，使变压器不能正常复位，最后由于变压器饱和而损坏开关管。
本文通过分析关断期间开关管的工作状态，给出变压器激磁电感与工作占空比、工作频率之间的关系，借用Maltab工具给出了电路工作的极限值，并通过仿真和实验加以了验证。
2 工作过程分析

图1为理想双正激变换器的等效电路图，和为MOSFET两端的寄生电容，假设=，忽略变压器的漏感。
工作区间一：[，]，对应于图3（a）。在时刻，和关断，由于这段时间很短，给和近似恒流充电，线性上升。记开关管刚关断那时起至寄生电容上电压充电到这段时间为:(见图2)

式（1）中，n为原副边的匝比，Io为输出电感电流峰值。当负载较重时，Io较大，时间很短，Io可视为恒定值。
工作区间二：[，]，对应于图3（b）。当和上电压恒流充电到时，和换流，若忽略变压器的漏感，和换流瞬时结束，此后和、构成谐振回路，直到寄生电容上电压充电到，在此区间原边电流ip，即激磁电流，呈逐渐减小的趋势。
记寄生电容上电压从充电到这段时间为r（若此时激磁电流的方向还未改变）。（见图2）


其中，为激磁电感，Im为时刻的激磁电流。当负载较重时，Io较大，时间很短，Im近似为。
如上升到前，激磁电流方向已改变，则记寄生电容上电压充电到至激磁电流下降到零这段时间为。


工作区间三：[，]，对应于图3（c）。若寄生电容上电压上升到时，激磁电流还未下降到零，在此区间原边二极管和导通，此后激磁电感电流在直流母线电压的作用下线性下降，直至零。记寄生电容上电压下降到至激磁电流下降到零这段时间为。


3 工作条件
要使变压器不饱和，必须使开关管关断时间大于变压器原边激磁电流下降到零的这段时间，即下式必需成立：
对于原边二极管还未导通时，变压器就已复位的情况，T>DT++t’
对于原边二极管导通后变压器复位的情况，T>DT+++ (6)
其中，D为占空比，T为开关周期。把（1）～（4）分别代入（5）和（6）式中，又由（Vo为输出电压），L用实际电路中的数值，利用MATLAB的数值计算功能可得图4：
由图4可看出对于越高的工作频率，如果激磁电感一定，电路所能工作的最大占空比越小，即如要使电路工作于较大占空比，变压器的激磁电感就不能太大，如采取对变压器垫气隙的方法解决变压器的饱和问题。
在图4中，由已知电路工作的最大占空比、开关频率，可对应找出激磁电感的极限值，即对应图4中曲面上的点。如对应f=80kHz，D=0.4，可得到的极限值为3.5mH。
4 仿真
按实际电路的参数，取=10nF，L=400μH，f=80kHz， D=0.4，n=1:3，Io=15A。
当=1mH和=5mH时的开关管两端电压的仿真波形见图5。

由图5可看出，图5（a）电压波形在开关管关断期间先上升后下降，在下降时变压器已复位。对图5（b）中的电压波形在管子关断期间没有下降的趋势，变压器没有正常复位。
因此，当激磁电感增大时，激磁电感和开关管寄生电容之间的谐振时间常数变长，使变压器不能在开关管关断期间正常复位，变压器趋于饱和。
5 实验
实际电路的参数，L=400μH，f=80kHz，D=0.4，n=1:3，Io=15A，当=1mH和=3.5mH的开关管两端电压的实验波形分别见图6（a）和（b）。

由图6（a）的电压波形知，开关管再次开通时，其两端电压已经小于输入直流母线电压，即已经处于工作区间三，变压器已复位。由图6（b）的电压波形可知当开关管再次开通时电路还处于原边二极管导通状态，变压器复位还未结束。
6 结论
MOSFET用于高功率场合时，需多个并联，造成寄生电容较大，此时大小的选择应根据开关频率、最大工作占空比选定，否则太大的会导致变压器饱和，使流过开关管的电流剧增而损坏开关管，导致电路工作异常。
从实验波形和仿真波形可得出如下结论，对较大的寄生电容，一定的开关频率，一定的最大工作占空比，激磁电感的选择有个极限值，不能取得太大，否则变压器不能磁复位，导致变压器饱和。