Pull-push的缺点的改进-一种Boost类型的Push-Pull电路

dell Post at 2007/6/21 9:01:00

摘要: 针对传统 Push-Pull 电路的缺点,提出了一种输入电流连续,变压器变比更小,简化缓冲电路的 Push-Pull 电路。

一. 传统的 Push-Pull 电路的工作及其特点

图 1 传统的 Push-Pull 电路

传统的 Push-Pull 电路(如图 1 所示)中,功率开关管 T1 和 T2 轮流导通,将电池能量通过变压器传输到副边的直流电容 C 上。由于 T1 和 T2 轮流导通,其占空比 D 必须小于 0.5 ,这带来了电池电流断续的问题,电池的纹波电流很大,从而减小电池的寿命。如图 2 中所示,其中 is 是电池电流( 4KW 负载),它是断续的,最大纹波为 25.78A ;当然,电感电流连续。

图 2 传统的 Push-Pull 电路仿真波形

再来看传统的 Push-Pull 电路的输入输出电压函数:

Vo=2NDVin (1)

式中: N---- 变压器变比;

D---- 开关管占空比( D<0.5 );

由式 (1) 可见,传统的 Push-Pull 电路是 Buck 类型的,当输出电压要大于输入电压时,变压器变比 N 一定要大于 1 。而变压器的变比越大,所要求的成本也会更高。

因此,传统的 Push-Pull 电路存在以下主要缺点:

1. 输入电流断续带来的电池电流纹波过大,造成了电池寿命缩短;

2. 变压器变比偏大,成本和损耗增加;

为此,以下提出了一种新型的 Push-Pull 电路,克服了上述缺点。

二. 新型 Push-Pull 电路

图 3 新型 Push-Pull 电路

图 3 是所提出的新型 Push-Pull 电路,它在结构上与图 1 传统 Push-Pull 电路的区别仅在于将滤波电感从变压器副边整流二极管后侧移到了变压器原边电池输入侧,但它的工作原理和特点则与传统 Push-Pull 电路大相径庭。以下详细阐述之。

图 4 新型 Push-Pull 电路各工作阶段波形

图 5-a

图 5-b1

图 5-b2

图 5-c

新型 Push-Pull 电路各工作阶段(如图 4 和图 5 所示)

1 . T0---T1 阶段

功率管 T1&T2 同时导通,电池给电感 L 充电(波形如图 4 ),电流路径如图 5-a 。这个阶段,由于流过绕组 wind1 和 wind3 的电流大小相等,方向相反,它们产生的磁势互相抵消,因此变压器原边绕组相当于短路。此时,电感 L 两端电压就是电池电压。即:

Vin=L*(di/dt) ( 2 )

2. T1----T2 阶段

功率管 T1 仍然导通,但功率管 T2 关断。电感 L 放电(波形如图 4 ),电流路径如图 5-b1 。这个阶段,变压器绕组 wind1 和 wind2 互相耦合,电感和电池中的能量通过变压器转移给直流电容和负载。将变压器的副边电路简化,可以得到这个阶段的等效电路如图 5-b2 所示。此时,变压器绕组 wind1 两端电压为 NVo 。因此,电感 L 两端电压为:

Vo/N—Vin=L*(di/dt) (3)

3. T2----T3 阶段

功率管 T1&T2 重新同时导通,电池给电感 L 充电,电路状态与 T0----T1 阶段一样。不再赘述。

4. T3----T4 阶段

功率管 T2 仍然导通,功率管 T1 关断。电感 L 放电(波形如图 4 ),电流路径如图 5-c 。这个阶段同 T1----T2 阶段工作类似,也不再详述。

根据式( 2 )和式 (3) ,并定义 T0—T1 阶段持续时间为 DT (如图 4 ),可以推导得到该 Push-Pull 电路的输入输出电压关系式为:

Vo=N*Vin/(1-D) (4)

从式 (4) 可见,该 Push-Pull 电路是 Boost 类型的。与式 (1) 传统 Push-Pull 电路相比,新型 Push-Pull 电路具有以下特点:

1. 电池电流连续,且电流纹波小,因为电感电流就是输入电流。

2. 变压器变比更小,因为电路本身具有升压功能。

对这样一个新型 Push-Pull 电路(带 4KW 负载)进行仿真,得到的波形如图 6 所示。其中,图 6-a 是启动过程的输出电压和电池电流波形,图 6-b 是稳态时的展开图。由图 6 可见,电池电流连续,且纹波电流小,只有 5.48A ,与图 2 的纹波电流 25.78A 相比,大大减小。

图 6-a 新型 Push-Pull 电路启动波形

图 6-b 新型 Push-Pull 电路稳态波形

将新型 Push-Pull 电路应用于双 Bus 电压输出,得到的完整的电路如图 7 所示。而图 8 为一现有的 Push-Pull 电路。比较两者可见,由于新型 Push-Pull 电路在变压器副边不存在续流电感,因此可以将副边的 Subber 电路去掉,见 Dr. 罗“引入变压器提高 Push-Pull 电路的效率”一文。而图 8 传统的 Push-Pull 电路中变压器原边和副边的开关管侧都需要 Snubber 电路,成本和效率都较差。因此,新型的 Push-Pull 电路存在技术上的优势。

图 8 传统的输出双 Bus 电压 Push-Pull 电路

三. 结论

本文提出了一种新型的 Push-Pull 电路,与传统的 Push-Pull 电路相比,具有以下优点:

1. 由于电感直接接在电池侧,因此电池电流连续,电流纹波小,提高了电池寿命;

2. 由于电路为 Boost 工作模式,变压器变比可以更小,从而减小漏感;

3. 由于变压器副边无续流电感,副边的缓冲电路可以省略,从而降低了成本;

4. 由于 Push-Pull 电感接在前侧,通过合理设计 PFC 电感,两者电感可以共用一个。

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