軟開關(guān)半橋DC/DC變換器的PWM控制策略分析

　0 引 言

　　半橋DC/DC變換器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制方便，非常適用于中小功率場(chǎng)合。硬開關(guān)變換器高頻時(shí)開關(guān)損耗很大，嚴(yán)重影響其效率。軟開關(guān)技術(shù)可降低開關(guān)損耗和線路的EMI，提高效率和功率密度，提高開關(guān)頻率從而減小變換器體積和重量。傳統(tǒng)半橋變換器有兩種控制方法，一種是對(duì)稱控制，一種是不對(duì)稱互補(bǔ)控制。本文主要分析實(shí)現(xiàn)半橋DC/DC變換器軟開關(guān)的PWM控制策略。

　　1 控制型軟開關(guān)PWM 控制策略

　　控制型軟開關(guān)半橋DC/DC變換器不增加主電路元器件（可增加電感電容元件以實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)條件），通過合理設(shè)計(jì)控制電路來實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)。圖1給出4種控制型軟開關(guān)半橋DC/DC變換器的PWM 控制策略。

圖1 控制型軟開關(guān)PWM 控制策略

　　1.1 不對(duì)稱互補(bǔ)脈沖PWM 控制

　　開關(guān)管的控制脈沖不對(duì)稱互補(bǔ)，采用此控制策略的傳統(tǒng)不對(duì)稱半橋變換器已廣泛應(yīng)用于中小功率場(chǎng)合。其原邊開關(guān)管實(shí)現(xiàn)ZVS的方式有2種：負(fù)載電流ZVS方式和勵(lì)磁電流ZVS方式［1］。其優(yōu)點(diǎn)是：兩個(gè)開關(guān)管都可實(shí)現(xiàn)ZVS；一些可改善移相全橋變換器滯后臂軟開關(guān)條件的措施也可用于不對(duì)稱半橋變換器；不存在硬開關(guān)中的震蕩問題；與移相全橋變換器相比，無循環(huán)能量。其缺點(diǎn)是：開關(guān)管電壓應(yīng)力和開關(guān)管軟開關(guān)條件不一致，上管較難實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)；整流管電壓應(yīng)力不一致，且隨占空比變化，一些應(yīng)用場(chǎng)合一個(gè)整流管電壓很高，器件較難選擇；輕載時(shí)會(huì)失去軟開關(guān)條件；變壓器直流偏磁，負(fù)載越重占空比越小，偏磁越嚴(yán)重；非常不適用于寬輸入或?qū)捿敵鲭妷旱膽?yīng)用場(chǎng)合。

　　1.2 移相脈沖PWM 控制

　　采用此控制策略的半橋也稱為雙有源半橋［2，3］。

　　此控制策略與傳統(tǒng)的移相全橋拓?fù)漕愃?，區(qū)別在于移相的兩個(gè)橋臂分布在變壓器的原副邊。此拓?fù)渲?，變壓器的漏感是中間儲(chǔ)能元件。原副邊半橋各產(chǎn)生一個(gè)占空比為50%的方波，通過調(diào)節(jié)輸出兩個(gè)橋之間的移相來控制變壓器漏感的能量從而調(diào)節(jié)輸出電壓。此拓?fù)淇蓪?shí)現(xiàn)全負(fù)載范圍的軟開關(guān)，同時(shí)輸出又能獲得同步整流。其缺點(diǎn)是：循環(huán)能量非常大，輸出電流紋波大。為了改善輸出電流紋波大的缺點(diǎn)，移相ZVS半橋電路被提出［4］。

　　1.3 脈沖移位PWM 控制

　　文獻(xiàn)［5］提出脈沖移位PWM 控制策略。上管下降沿與下管前沿互補(bǔ)，脈寬相同?？蓪?shí)現(xiàn)下管的ZVS開通，上管仍然是硬開關(guān)。其優(yōu)點(diǎn)是：可減少部分開關(guān)損耗；變壓器不存在直流偏磁；整流管電壓應(yīng)力對(duì)稱；寬范圍輸入上優(yōu)于不對(duì)稱半橋。增加輔助電路可實(shí)現(xiàn)上管的ZVS［6］。

　　1.4 不對(duì)稱脈沖PWM 控制

　　文獻(xiàn)［7］提出不對(duì)稱脈沖PWM 控制，其下管下降沿與上管的前沿互補(bǔ)，上管可實(shí)現(xiàn)ZVS.只要設(shè)計(jì)的占空比較小，無需其它措施即使工作在較高頻率下開關(guān)損耗也很小。變壓器直流偏磁，除占空比端點(diǎn)外，偏磁電流小于不對(duì)稱半橋。寬范圍適用性優(yōu)于傳統(tǒng)的不對(duì)稱半橋。低壓大電流的應(yīng)用場(chǎng)合有一定的優(yōu)勢(shì)。

　　2 緩沖型軟開關(guān)對(duì)稱PWM 控制策略

　　對(duì)稱控制半橋變換器磁心雙向磁化，利用率高，且不存在偏磁。控制方便，控制特性線性。功率管上電壓應(yīng)力低，適用于高輸入電壓場(chǎng)合，但此種半橋變換器較難實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，變換器效率難以得到提高。

　　2.1 對(duì)稱PWM 控制ZVS半橋變換器

　　文獻(xiàn)［8］提出一種對(duì)稱PWM 控制ZVS半橋變換器（見圖2），其與傳統(tǒng)半橋電路相比，對(duì)稱PWM 控制的ZVS直流變換器增加了一個(gè)由輔助開關(guān)管和一個(gè)二極管組成的支路。其主開關(guān)管不僅工作在對(duì)稱狀態(tài)，而且下管和輔助開關(guān)管可在全負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)ZVS，上管也能在寬負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)ZVS，引起的附加損耗很小。該變換器器件所受應(yīng)力小，可靠性高，其更適合采用MOSFET做開關(guān)管，較少應(yīng)用于高電壓、大功率場(chǎng)合。該變換器需要利用諧振電感的儲(chǔ)能來實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的ZVS，增大諧振電感能擴(kuò)大上管ZVS范圍，但會(huì)使占空比丟失嚴(yán)重，設(shè)計(jì)諧振電感時(shí)須權(quán)衡考慮實(shí)現(xiàn)上管ZVS和減小占空比丟失［9］。

圖2 對(duì)稱PWM 控制ZVS半橋變換器

　　2.2 對(duì)稱PWM 控制ZCS半橋變換器

　　文獻(xiàn)［10］提出一種對(duì)稱PWM 控制ZCS半橋變換器（見圖3），在傳統(tǒng)不對(duì)稱半橋電路變壓器的副邊增加了一條由輔助開關(guān)管、諧振電容和諧振電感串聯(lián)構(gòu)成的輔助支路。其主開關(guān)管不僅工作在對(duì)稱狀態(tài)，而且變換器能在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)所有開關(guān)管的ZCS和所有二極管的ZVS.與對(duì)稱控制半橋一樣，輔助開關(guān)管每半個(gè)周期導(dǎo)通一次，利用諧振電容與變壓器漏感的諧振為全負(fù)載范圍所有開關(guān)管ZCS及所有二極管ZVS創(chuàng)造了條件，重載時(shí)難以實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)。

圖3 對(duì)稱PWM 控制ZCS半橋變換器

　　3 結(jié) 論

　　本文明確了控制型軟開關(guān)半橋DC/DC變換器的定義，主要總結(jié)和歸納了4種控制型軟開關(guān)半橋DC/DC變換器的PWM 控制策略和2種緩沖型軟開關(guān)半橋DC/DC 變換器的對(duì)稱PWM 控制策略，對(duì)上述PWM 控制策略進(jìn)行了深入分析和綜合比較，為選擇具體應(yīng)用場(chǎng)合提供了依據(jù)。

　　參考文獻(xiàn)：

　?。?］ 張友軍，阮新波。2種ZVS方式AHB直流變換器比較［J］。電力自動(dòng)化設(shè)備，2009，29（10）：69-73.

　　［2］ IONel Dan Jitaru.A 3KW switching DC-DC converter［C］.New Orleans，LA，USA:Proceedings of IEEEAPEC，2000.86-92.

　?。?］ Zhang J M，Xu D M，Qian Zhaoming.An improved dualactive bridge DC/DC converter［C］.Vancouver，Canada:Proceedings of IEEE-PESC，2001.232-236.

　　［4］ Zhang J M，Zhang F，Xie X G，et al.A novel ZVS DC/DC converter for high power applications［C］.Dallas，USA:Proceedings of IEEE-APEC，2002.635-640.

　　［5］ Hong Mao，Jaber Abu-Qahouq，Songquan Deng，et al.A new duty-cycle-shifted PWM control scheme for halfbridgeDC-DC converters to achieve zero-voltage-switching［C］.Miami，F(xiàn)L，USA:Proceedings of IEEEAPEC，2003（2）：629-634.

　?。?］ Hong Mao，Jaber Abu-Qahouq，Shiguo Luo，et al.Amodified ZVS half-bridge DC-DC converter［C］.Anaheim，Cal，USA:Proceedings of IEEE-APEC，2004.1436-1441.

　　［7］ 謝小高，張軍明，蔡擁軍，等。半橋變流器的軟開關(guān)控制策略［J］。中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)。2006，26（3）：48-52.

　　［8］ Hong Mao，Jaber Abu-Qahouq，Luo Shiguo，et al.Zerovoltage-swiching half-bridge DC-DC converter with modifiedPWM control method［C］.IEEE Trans on PE，2004，19（4）：947-958.

　　［9］ 楊海英，謝少軍。對(duì)稱PWM 控制ZVS半橋變換器研究［J］。電工技術(shù)學(xué)報(bào)。2006，21（6）：29-34.

　　［10］秦 嶺，王亞芳，張 航，等。對(duì)稱控制ZCS-PWM 不對(duì)稱半橋變換器研究［J］。電氣自動(dòng)化。2007，29（5）：39-42.