摘要：  提出一种应用在车载电源的双变压器软开关推挽电路，分析了它的原理，并与单变压器电路作了比较研究。最后通过12V输入、360V输出200W DC-DC变换器的研制，对该电路进行了实验验证。

关键字：  双变压器，软开关，推挽电路

1 引言
推挽拓扑在升压电路中得到广泛的应用。在两级结构的纯正弦波车载电源中，该DC-DC变换器用来作为前一级的升压电路。硬开关推挽电路已比较成熟，但存在开关过程损耗大的缺点，利用串联谐振软开关技术[1-3]的推挽电路能够较好的改进上述问题。
本文针对12V输入、360V输出的具体指标，提出一种双变压器软开关推挽电路，并与单变压器电路作一比较分析。最后按照产品设计要求，分别研制了一台双变压器和一台单变压器变换器，对该结构进行了验证。
2 双变压器软开关电路
2.1 双变压器软开关电路主电路构成及工作原理
串联谐振软开关推挽电路原理图如图1所示。这种软开关推挽电路的Mosfet开关管和整流二极管都工作在零电压开通和零电流关断的条件下，具有效率高的特点，并且电路重量轻、体积小、成本低、输出电压纹波小。[1-3]
应用在纯正弦波车载电源的推挽电路需要将12V的蓄电池电压升压到逆变电路所需的360V中间母线电压。考虑到蓄电池电压的波动，为使变换器在最低输入电压(10V)时也能输出该母线电压，变压器副边绕组和原边绕组的匝数比会很大。这会导致原副边耦合不够紧密、损耗大等问题，最终造成效率的下降。
为提高变换器效率，在单变压器软开关电路基础上，提出一种双变压器结构电路拓扑，如图2所示。该变换器包括Mosfet开关管(Q11、Q12、Q21、Q22)，串联谐振电路(Lr-Cr)，输出整流器，输出电容(Co)和负载(RL)。旁路电容(C11、C12、C21、C22)利用Mosfet开关管漏源极间的寄生电容，串联电感(Lr)利用变压器副边的漏感。电路工作开关频率选择在谐振电路(Lr-Cr)的谐振频率。
电路理想工作波形如图3。其中im1、im2分别为两个变压器的激磁电流，vs11、vs12、vs21、vs22分别为Mosfet开关管Q11、Q12、Q2l、Q22漏源极间电压，vd为整流桥输入电压。它有4个工作阶段：
(1)阶段1[t0， t1]
Q11、Q21在零电压条件下导通，Q12、Q22关断，通过Lr、Cr谐振，当流过Q11、Q21的电流谐振到零时，Q11、Q21实现零电流关断；
(2)阶段2[t1， t2]
Q11、Q21、Q12、Q22都关断，通过变压器剩余的激磁电流，使C11、C21充电至2Vin，同时C12、C22上的电压放电到零；
(3)阶段3[t2， t3]
Q12、Q22在零电压条件下导通，Q11、Q21关断，通过Lr、Cr谐振，当流过Q12、Q22的电流谐振到零时，Q12、Q22实现零电流关断；
(4)阶段4[t3， t4]
Q11、Q21、Ql2、Q22都关断，通过变压器剩余的激磁电流，使C12、C22充电至2Vin，同时C11、C21上的电压放电到零。
由图可见，阶段2和阶段4的时间由Mosfet开关管漏源极间的寄生电容和变压器激磁电流决定。
2.2 双变压器电路与单变压器电路的比较分析
由图1、2可见，双变压器电路用两个副边串联在一起的变压器取代原先的一个变压器，原边部分不做改动，分别连接到输入电源。该电路利用两个变压器副边漏感的和作为串联谐振电感，无需额外的电感，保持了单变压器电路的优点。此外它还存在以下的优点[1-3]：
(1)变压器的匝比都可以减为原来的一半。在输入电压保持一定的情况下，副边电压都减为单变压器时的一半，副边串联后得到的电压等于单变压器时的电压。由于匝比减小，原副边耦合问题能得到较好的解决，损耗也会相应地减小。   
(2)输出功率保持一定的情况下，流过开关管和变压器原边的电流都减半，开关管的导通损耗和变压器原边铜耗都减为原来的一半，可以有效提高效率。
根据实际的工作情况，变压器设计应注意以下几点：
(1)变压器的副边漏感应保证尽量的小，以确保品质因数在一定的范围内，从而使电路工作过程中谐振元件不用承受太大的电压。
(2)原边开关管都关断的阶段，开关管漏源极寄生电容和变压器的电感存在振荡过程，对零电压开通、零电流关断存在干扰。所以要求变压器特性稳定，尽量减小振荡电压的峰值。
(3)两个变压器应保持一致，使得它们传递一样的功率，防止因功率不同而出现的过热现象。
3 实验验证
根据理论分析，采用串联谐振软开关技术及双变压器电路结构，研制了一台双变压器和一台单变压器的12V输入、360V输出200W DC-DC变换器。
3.1 软开关的实验验证
图4是双变压器变换器的原边电压电流波形，输出功率122.9W。通道1、2分别为：Mosfet开关管Q11、Q12漏源极间的电压波形，通道3为输入电流ilin的波形。从该图可以看出，开关管基本实现低电压开通、零电流关断。
图5为不同输出功率条件下Mosfet开关管开关时的电压电流波形。由图可见，从轻载到满载，该电路开关管基本保持低电压开通、零电流关断。
3.2 效率比较
两种变换器的效率如图6。在整个输出功率范围内，双变压器变换器的效率比单变压器变换器的效率都要高，并且至少要高1％以上。
4 结语
以上理论分析和实验验证表明，双变压器软开关推挽电路具有效率高、输出电压纹波小等优点。该电路在低电压输入、高电压输出变换器中值得进一步推广和应用。

参考文献
[1] 马小林，马皓．推挽变换器在软开关与硬开关工作模式下的比较研究．北京：电源技术应用，2003，6(8)：15—18．
[2] 马小林，马皓．串联谐振式升压变换技术．北京：电工技术，2003，9：48—49．
[3] I．Boonyaroonate，S．Mori．A new ZVCS resonant push-pull DC-DC converter topology．In：Proceedings of Applied Power Electronics Conference and Exposition，2002，APEC 2002，Volume：2．1097—1100．

作者简介
张辉，男，1983年生，硕士研究生，研究方向为电力电子与电力传动。
邓嘉，男，1980年生，硕士研究生，研究方向为电力电子与电力传动。
马皓，男，1969年生，博士，副教授，研究方向为电力电子技术及其应用、电力电子先进控制技术、电力电子系统故障诊断。