Abstract：A two-transistor forward converter, which can perform ZVS turn-off and turn-on QZVS at main switches and can increase the efficiency when compared to the hard converter, is introduced. A two switches forward converter with high voltage input is simulated.

Keyword：two switches forward; converter; resonance

1　引言

　　双管正激变换器因开关管电压应力低，不需要磁复位电路，具有抗桥臂直通能力，可靠性高，因此在高输入电压、大功率场合得到广泛的应用。

　　随着开关频率的提高，开关损耗变大，影响变换器效率的提高，为了提高双管正激变换器的效率，有必要实现其开关管的软开关，本电路用的是双零转换变换技术。在这里，增加一辅助开关电路，利用短时谐振来实现开关管的准软开关。这里所说的准软开关也就是：zvs指的是开关管电压接近零时开通或关断，zcs指的是开关管电流接近零时开通和关断。

2　工作原理
　　　　
　　图1示出电路原理图。

　　　　　
　　　　　图中　　Vin——输入直流电压
　　　　　　　　　
　　　　　　　　　Ld——功率变压器漏感
　　　　　　　　　
　　　　　　　　　C1、C2——分别为S1和S2的并联电容（包括开关管的寄生电容）
　　　
　　辅助电路由电感Lr和开关管S3组成。在一个工作周期中有九个开关模态，其等效电路图如图2所示。为了简化电路状态分析，假设所有器件都是理想的，将输出滤波器和负载看成一恒流源。

　　

　　

　　

　　

图2　各开关模态的等效电路

　　（1）开关模态1[t0,t1][参考图2(a)]

　　t0时刻，主开关管S1、S2导通，S3处于关断状态，变压器的激磁电流线性增加。

　　（2）开关模态2[t1,t2][参考图2(b)]
　
　　t1时刻，开关管s2关断，电容c2的电压线性增加，由于电容的电压不能突变，所以开关管s2为zvs关断。

　　（3）开关模态3[t2,t3][参考图2(c)]
　
　　t2时刻，电容c2上的电压增加到Vin，这时D2导通，激磁电流在D2和S1中流动。

　　（4）开关模态4[t3,t4][参考图2(d)]
　
　　t3时刻，开关管S1关断，由于C1的电压不能突变，故S1为ZVS关断。此时C1、Lm和Ld开始谐振，C1的电压增高，Lm和Ld的电流减小。负载电流在D4中增加，在D3中减小。

　　（5）开关模态5[t4,t5][参考图2(e)]

　　t4时刻，C1电压达到Vin，D1导通，变压器的激磁电流减小。

　　（6）开关模态6[t5,t6][参考图2(f)]

　　t5时刻，Ld中的电流降到零，D3关断，负载电流通过续流二极管D4流通。
　
　　（7）开关模态7[t6,t7][参考图2(g)]

　　t6时刻，激磁电流降到零，到此去磁结束。闭合S3，由于Lr的电流不能突变，S3为ZCS导通，此时C1、C2和Lr开始谐振。

　　（8）开关模态8[t7,t8][参考图2(h)]

　　t7时刻，电容C1和C2上的电压均为出入电压的一半，在这瞬间，变压器上有个正电压导致D3导通。这一阶段，C1、C2和Lr、Ld谐振。

　　（9）开关模态9[t8,t9][参考图2(i)]

　　t8时刻，C2、C2上的电压值接近零，此时闭合S1、S2，S1、S2为准ZVS开通。Ld电流线性增加，负载电流从D4向D3过渡。在t9时刻，Ld的电流与负载电流相等。

3　仿真与实验结果
　　　
　　随着大规模集成电路和电子计算机技术的迅猛发展，电力电子电路的分析和设计发生了重大变革，目前，EDA技术已广泛应用于电力电子系统中，并成为电力电子系统设计不可缺少的重要工具。Orcad是一种强大电路仿真的软件，在国内外流行最广，本电路就是利用Orcad进行仿真的。仿真电路模型为（图4）：

图4　仿真电路模型

　　实验电路的主要参数：Vin=285~550v；Uo=24v；Po=200w；工作频率fs=100k；功率变压器变比N1:N2=4.98；

　　最大占空比Dmax=0.42；辅助电感：Lr=3.6u；谐振电容：C1=C2=2.3n；变压器漏感：Ld=18u。
实验波形（图5）：

图5　主要仿真波形

　　图5示出开关管的开通和关断波形。图5（a）是主开关管在关断时，控制脉冲和开关管的电压波形，关断时刻，开关管上的电压与输入电压相比相对较低，实现了准ZVS关断。图5（b）主开关管的开通波形，开通电压和关断电压基本相等，为准ZVS开通。图5（c）是辅助开关管在开通时，控制脉冲和开关管的电流波形，开通时刻，辅助开关管的电流基本为零，为ZCS导通。图5（d）是辅助开关管的关断波形，关断时电流为零，为ZCS关断。

　　实验电路的效率在满载时达到91%，和硬开关电路相比，大概提高了4%。由于采用电源控制芯片很难实现该控制波形，所以采用可编程逻辑控制器来实现。

4　结论

　　由理论分析和实验结果可知，该电路有以下特点：a、主开关为QZVS开通和关断；b、辅助开关管为ZCS导通和关断。


参考文献：

[1] A.A. Pereira ,E. Coelho .V. Farias .L .Freitas and J.B. Junior;” A New ZC-ZVS Forward Converter”, in Applied Power Electronics Conference, 1996,pp.482-486.

[2] C. Dias, A. Pereira, J.B. Vieira Jr, V.　Farias　and L. Freitas. “ An Improved Self-Resonant PWM Forward Converter, in Applied Power Electronics Conference, 1998, Record pp.440-446

[3]直流开关电源的软开关技术，阮新波，严仰光编著，北京科学出版社，2000年

[4]新型开关电源设计与应用，何希才编著，北京科学出版社，2001年