一种串并联谐振直流-直流转换器之性能 1引言 随着人们对尺寸小、重量轻、效率高、成本低的变换器的需求增长，谐振功率变换技术变得非常流行。采用变压器作电阻性隔离和负载匹配的小功率变换器，可以利用变压器固有的电感来取代谐振拓扑中的电感。有文献报道，通过改进设计使变压器工作在电感－变压器方式下，就可以实现并联谐振变换器的拓扑结构。尽管这在变换器微型化方面是一个巨大进步，但是远没有达到最佳性能，因为并联谐振变换器的性能有其自身的局限性。另有报道，一种特有的串并联拓扑结构，能具备串联谐振变换器和并联谐振变换器两者的共同优点。本文就探讨了这种配置了只有一个附加谐振电容的串并联拓扑结构电感－变压器的性能。 2系统简介 本文所提出的系统如图1所示，谐振网络通过一个电容和一个电感－变压器实现。此拓扑结构在工作时就像低负载时的并联谐振变换器和高负载时的串联谐振变换器，这是其非常有利的特性。选用一个半桥逆变器来减少器件数目，用作分配输入端直流电源的电容，同时也用作串联电容。图2给出了简化的等效电络，采用初级线圈和次级线圈都绕在E-I型铁心外部柱上的结构。通过调整气隙长度（即lg1，lg2和lg3），可以控制初级漏感L1(=γ1Lm)，次级漏感 和磁化电感L2(=γ2Lm)。详细的铁心结构如图3所示。 3系统性能 根据正弦交流分析法，对变换器进行分析，增益(M=VO/VIN)表达式如下。 公式中x=(ω/ω0)，γ=γ1=γ2， Q=ω0(1+γ)Lm/R 图4示出了在γ1(=L1/Lm)=1.0和γ2(=L2/Lm)=1.0的条件下，对不同的Q(=0，1，3和10)值，增益 (M) 随频率比（=ω/ω0）变化的曲线。由图4可以看到在额定负载点A（该点是由频率比值和γS决定的），转换器表现出和负载无关的特点。值得注意的是如果在额定负载的情况下，把变换器的工作点设计在点A，则随着负载电流的减少，变换器会自动工作在滞后功率因数的模式下。这样，变换器在整个工作范围内，都处在滞后功率因数的模式 ，正好适应缓冲器件的需要。为了补偿输入电压的变化，需要根据输入电压的最大值和最小值来设计变换器，对于其它负载情况，可以通过控制频率以保持输出电压为常量。次级漏磁（用γ2表示）的影响如图5所示，很清楚，只有当漏磁为某个确定值时，工作状态才达到期最佳。在图5中，γ2=0所对应的曲线显示了并联谐振变换器的工作特性，经对比可以看出该拓扑结构超过一般并联谐振变换器的性能。负载电压的升高，使得转换器能以最小的频率偏差来运行，这就说明了要达到最佳性能，对电感－变压器所有电感应予适当考虑。 4转换器的设计 为了使变换器的体积最优化，必须使三个电感中所贮存的总能量最小化。现在定义一个参数β，为变换器空载时的输入电流和在额定负载时流入变压器的初级（折算）电流之比，下列简化关系可以用在本文所讨论的磁心结构中： 这样，当知道β和M后，最佳电感－变压器的参数就可以从下述方程中得出： 注意，电感值和β成反比，因此，较大的β值提供了较小的体积，但不是满负载时却要以较低的效率为代价，这就需要在变换器性能和减小体积之间折衷选择。同时，较大的β值允许变换器的输出电压增大，且更具有较好的选择性。 最后还要确定气隙长度。为简化起见，与气隙相比，铁心的磁阻可以忽略，在考虑边缘磁通时，假定均匀通量密度区从每个气隙边缘向外延伸半个气隙长度。经过代数的简化，并忽略高阶项后，可以得到以下闭合形式的方程： 5控制器 已找到一种比例积分控制器馈送到VCO (压控振荡器) 的控制方案，它适应这种变换器的工作。控制器测出输出电压值，与一个参考值比较，产生一个误差，该误差再由比例积分控制器进行处理，比例积分控制器将比较结果输出再馈送到VCO，以产生一个需要的IGBT的门驱动信号。图6示出了控制模块的方框图，应注意当工作在点A或其附近时，网络需要短路电流保护。当电容器两端电压随着负载增加而增加时，电容电压会被检测出来，并与参考值进行比较，如果差值太大，IGBT的门驱动就会失效。这是非常有利的，它将保护系统安全运行而无需使用电流传感器。 6试验结果 实验室已制造出一台试验样机，试验了当输入为48V，输出为24V，1A时的情况。同时制造了一个匝比为1:1的电感－变压器，其L1=65.8μH，L2=64.6μH，L2=54μH。相应的气隙长度为lg1=lg2=0.25mm，lg3=0.4mm。目前我们正在准备一个优化设计，工作频率设定在35kHz左右，控制器也已经完成，且性能令人满意。图7示出了满载和半载时的波形，只是需要1.01kHz的频率增量，这可由控制器自动调整。在额定情况下，变换器在滞后功率因数的方式下工作时很稳定，因此，万一过载并且/或输入电压发生波动，它仍能维持在该方式下工作。 7结论 给串并联拓扑结构配置一个专门设计的电感－变压器，通过设计变压器的漏磁和磁化电感，变换器的性能可以得到很大提高。本文还推导出了便于使用的闭合形式设计方程，提出了一个控制器来调整工作频率，以控制输出电压。在实验室制造出的变换器和控制器，其性能良好。在要求用变压器隔离的小功率应用中，该拓扑结构非常有用。 主要参考文献 IEEE Trans.on Magnetics.vol.36，no.5，pp.3527-3529，Sep.2000