多組變壓器在低壓大電流開關電源中的應用

[武漢美倫電氣技術部整理]

1　引 言

　　隨著半導體技術、微電子技術以及逆變技術的高頻化、智能化、模塊化發展極大地推動了開關電源的發展。

　　對于低壓大電流開關電源，次級輸出一般采用全波整流方式。由于受到單個整流二極管容量的限制，常采用一組變壓器，多組副邊，如圖1 (a)所示，或者一組副邊多只整流二極管并聯的結構，如圖1 (b)所示。

　　圖1所示電路，在原副邊能量傳遞期間，變壓器可以等效為電壓源，而副邊線路上的阻抗可以等效為電壓源內阻。由于電壓源內阻相整流二極管等效電阻較小，可忽略不計。設原副邊完全耦合，因此其等效電路可簡化為如圖2所示。顯然，圖1這兩種結構等效電路相同，都屬于整流二極管并聯均流的問題。由于整流二極管正的電流溫度系數，而在實際應用過程中，很難保證器件的一致性，因此會使流經整流二極管的電流不相同，嚴重時會因負擔過重而損壞。

　　二極管并聯使用，為了達到均流的目的,可以采用串入電阻方式并聯，如圖3（a）所示；或采用串入動態均流互感器并聯等方法，如圖3（b）所示?！　?br/>
　　由于鄰近效應及趨膚效應的影響,對于串入電阻的并聯方式,二極管的均流效果隨輸出電流的大小而改變,均流效果較差。且對于低壓大電流，為了減小串入電阻上的損耗，其阻值不宜較大，這會降低均流效果。

　　對于串入動態均流互感器的并聯方式,可以達到較好的均流效果,但大電流互感器的制作工藝復雜,成本高, 同時由于動態均流互感器的漏感及引線電感的存在,使得二極管在關斷時的反向尖峰電壓增高,電磁干擾及損耗隨之增加。

2　理論分析

　　本文采用的多組變壓器原邊串聯副邊并聯的結構，如圖4（a）所示，可以克服以上的缺點，通過變壓器實現副邊均流。

　　設原副邊完全耦合，不計磁芯損耗及銅耗，忽略變壓器原副邊線路阻抗，在原副邊能量傳遞期間，其等效電路可簡化為如圖4（b）所示?？梢缘玫揭韵玛P系式

　　其中E01 ,E02.....為原邊感應電勢，E，E2.....為副邊邊感應電勢，U1、U2.....為副邊繞組上電壓，UD1、UD2....為副邊整流二極管上壓降，U為經過整流二極管后的直流電壓，I1、I2.....為副邊繞組上電流。把（1-1）、（1-2）代入（1-3）、（1-4）得到

　　由(1-6")可以看出，副邊是均流的，因此流過輸出整流二極管的電流相同,實現自動均流。由(1-3")和(1-4")可以看出, 雖然整流二極管的特性不同，但可以通過調整各組變壓器原邊的電壓來實現副邊均流。多個變壓器的這種連接方式可以使得變壓器的設計模塊化,簡化變壓器的制作工藝。
　　
　　在整流二極管換流期間，由于變壓器原副邊短路，因此E01 ,E02.....，E，E2.....為零，變壓器不起作用。此時副邊所有整流二極管均同時導通，換流之前導通的整流二極管電流逐漸減小為零，未導通的整流二極管電流逐漸增加為大值，換流過程中，副邊電流變化曲線與整流二極管的特性有關。

3　仿真分析

　　下面以12V/1000A電鍍電源為例進行這種結構的PSPICE仿真分析。主電路采用移相全橋ZVS（Zero Voltage Switching）軟開關的形式，開關頻率20kHz，副邊為全波整流，使用了三組變壓器，每組匝比8：1，變壓器原邊串聯副邊并聯，輸出整流二極管使用耐壓為80V，電流為400A的肖特基二極管。仿真主電路如圖5所示。

　　
　　改變肖特基二極管的特性曲線，建立不同的模型。通過仿真可以得到各組變壓器原邊電壓的仿真波形，如圖6所示；流經D1、D3、D5電流波形，如圖7所示。

　　由圖6可以看出，在原副邊能量傳遞期間，其各組變壓器原邊電壓是不同的，而在換流期間其原邊電壓為零。

　　由圖7可以看出，在原副邊能量傳遞期間，變壓器副邊輸出電流是相同的；而在換流期間變壓器副邊輸出電流是不相同的，流經副邊各肖特基二極管的電流小于原副邊能量傳遞時通過的電流。

　　由以上仿真可知，在原副邊能量傳遞期間，由于肖特基二極管的特性的不同，而導致各組變壓器原邊的電壓的不相同；但變壓器副邊輸出電流相同的，與肖特基二極管的特性無關。

　　在換流期間，由于變壓器原副邊短路，忽略變壓器原副邊線路阻抗，因此原邊電壓為零；此時變壓器對副邊電流的平衡不起作用，副邊輸出電流因肖特基二極管的特性的差異而不相同。雖然，在此期間副邊電流可能不相同，但由于副邊所有肖特基二極管同時導通，共同分擔電流，電流小于能量傳遞時通過的電流。

4　結 論
　　
　　通過使用多組變壓器原邊串聯副邊并聯的結構，可以避免由于肖特基二極管正的電流溫度系數而導致的并聯不均流的問題，通過變壓器實現副邊的自動均流。在低壓大電流開關電源中有較廣泛的應用，可以使得變壓器的設計模塊化,簡化變壓器的制作工藝。