大功率電鍍高頻開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)分析

　　ZVS移相全橋變換器超前臂和滯后臂都實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)關(guān)(ZVS)。由于變壓器原邊漏感和輸出濾波電感的存在，超前臂關(guān)斷時(shí)電流不會(huì)突變，只能實(shí)現(xiàn)ZVS。同樣，由于變壓器原邊漏感的存在，滯后臂關(guān)斷(或另一只開(kāi)通)時(shí)，如果不設(shè)法使電流復(fù)位(減小至0)的話，也只能實(shí)現(xiàn)ZVS。實(shí)現(xiàn)的方法同樣是在其開(kāi)關(guān)管兩端并聯(lián)電容。ZVS移相全橋變換器的原理圖如圖5所示。

　　為了更好地理解其工作原理，在分析ZVS移相全橋變換器工作原理之前，先作如下假設(shè):

　?、?所有開(kāi)關(guān)管、二極管均為理想器件；

　　② 除特別指定外(如變壓器漏感)，所有電容、電阻、電感、變壓器均為理想元件；

　　③ 與開(kāi)關(guān)管并聯(lián)的電容中，Cl=C3，C2=C4；

　?、?輸出濾波電感L遠(yuǎn)大于變壓器漏感，即L>>Lk。

　　ZVS移相全橋電路在主功率管Ql、Q4導(dǎo)通切換到Q3、Q2導(dǎo)通的半個(gè)開(kāi)關(guān)周期中，要經(jīng)歷6個(gè)開(kāi)關(guān)模態(tài)。其中a b兩點(diǎn)間電壓Vab。變壓器原邊電流ip和整流橋輸出電壓Vrect的波形如圖6所示。分述如下。

　　圖中二極管改為空心通直線，電容為平行線

　?。?）開(kāi)關(guān)模態(tài)1

　　[t-，t0] 時(shí)刻：t0時(shí)刻之前，Ql、Q4導(dǎo)通。原邊電流經(jīng)Ql，主變壓器原邊，Lk，Q4向副邊傳輸能量。a b間電壓Vab=Vi，原邊電流ip線性上升。

　　（2）開(kāi)關(guān)模態(tài)2

　　[t0，t1]時(shí)間段：t0時(shí)刻，Q1關(guān)斷，由于有C1的存在， Ql電壓不能突變，電壓緩升，是零電壓關(guān)斷。Ql關(guān)斷后，a b間電壓Vab開(kāi)始迅速下降，但是仍大于0，故此時(shí)副邊仍工作在整流狀態(tài)。可認(rèn)為輸出濾波電感L與原邊漏感Lk串聯(lián)。因?yàn)殡姼须娏鞑荒芡蛔儯詉p仍按原方向流動(dòng)，并逐漸減小。電流ip給Cl充電，給C3放電。Vab在tl時(shí)刻減小到0。

　　（3）開(kāi)關(guān)模態(tài)3

　　[t1，t2]時(shí)間段：t1時(shí)刻，C1充電，C3放電均結(jié)束，Vab減小到0。Q3的反并二極管D3自然導(dǎo)通。此[t1，t2] 時(shí)間段中開(kāi)通Q3，則Q3是零電壓開(kāi)通。開(kāi)通Q3時(shí)，由于原邊電流方向不變，Q3上不會(huì)立即有電流流過(guò)。原邊電流ip仍然流過(guò)D3，主變壓器原邊，漏感Lk和Q4，形成環(huán)流。

　　（4）開(kāi)關(guān)模態(tài)4

　　[t2，t3]時(shí)間段：t2時(shí)刻關(guān)斷Q4以后，原邊電流ip給C4充電，給C2放電。由于Vab= -Vc4，副邊整流管D2和D3開(kāi)始導(dǎo)通，這使得整流橋工作在四只管子都導(dǎo)通的續(xù)流狀態(tài)。在反向電壓的作用下，ip下降速率增大。

　　（5）開(kāi)關(guān)模態(tài)5

　　[t3，t4]時(shí)間段：t3時(shí)刻，C2放電至0，C4充電至Vi。Q2的反并二極管D2自然導(dǎo)通。這個(gè)時(shí)間內(nèi)開(kāi)通Q2，則Q2是零電壓開(kāi)通。此外，原邊電流ip在-Vi的作用下，迅速下降。

　　（6）開(kāi)關(guān)模態(tài)6

　　[t4，t5] 時(shí)間段：原邊電流ip在-Vi的作用下減小至0并反向增加，但這時(shí)的原邊電流很小，無(wú)法向負(fù)載輸送能量，因此副邊整流管仍然工作在續(xù)流模式下，直至t5時(shí)刻，原邊電流反向增大，足以給負(fù)載供電。此后原邊電流經(jīng)回路Q2，漏感Lk，主變壓器原邊，Q3向負(fù)載供電，切換過(guò)程結(jié)束。

　　5 ZVS移相控制軟開(kāi)關(guān)控制方式存在的問(wèn)題

　　由以上分析可以看出，ZVS移相全橋變換器要實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)，必須在有限時(shí)間內(nèi)有足夠的電流抽取開(kāi)關(guān)管并聯(lián)電容(附加并聯(lián)電容與結(jié)電容之和)上的電荷，使開(kāi)關(guān)管兩端電壓下降至0。既然ZVS移相全橋變換器軟開(kāi)關(guān)的實(shí)現(xiàn)與原邊電流有關(guān)，那么在負(fù)載較輕的情況下，原邊電流較小，使得零電壓開(kāi)關(guān)難實(shí)現(xiàn)，這是ZVS移相全橋變換器最大的缺點(diǎn)。

　　實(shí)際上超前臂和滯后臂實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)的條件有所差別。超前臂開(kāi)關(guān)時(shí)，副邊整流管工作在整流狀態(tài)，輸出濾波電感相當(dāng)于串聯(lián)在原邊漏感上，電流變化率小，開(kāi)關(guān)管并聯(lián)電容上的電荷抽取速度快。滯后臂開(kāi)關(guān)時(shí)，副邊整流管工作在續(xù)流狀態(tài)，只有原邊漏感維持原邊電流，電流變化率大，開(kāi)關(guān)管并聯(lián)電容上的電荷抽取速度慢。因此滯后臂軟開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)較超前臂為困難，這也是ZVS移相全橋變換器的缺點(diǎn)。

　　為了讓滯后臂實(shí)現(xiàn)ZVS更加容易，增大原邊電流成了最直接的想法。原邊電流的增大可以用增加勵(lì)磁電流，或增大漏感(或外加的諧振電感)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

　　[t2，t4]時(shí)間段， 主變壓器原邊的電流尚未衰減到零、或恰好衰減到零，變壓器初級(jí)處于續(xù)流狀態(tài),其兩端的電壓為零；[t4，t5]時(shí)間段，開(kāi)關(guān)功率管Q2、Q3剛剛要開(kāi)又未完全開(kāi)通。從變壓器退出續(xù)流狀態(tài)，到t5時(shí)間后開(kāi)關(guān)管完全開(kāi)通，變壓器并不輸出電壓，該段時(shí)間(圖6陰影部分)即為丟失的占空比。占空比丟失是因電感剩余儲(chǔ)能造成的。由于電感儲(chǔ)能和流過(guò)電流的平方成正比，故重載時(shí)占空比丟失較為嚴(yán)重。即在原邊承受方波電壓時(shí)，由于支路上電感的存在，原邊電流較小，無(wú)法向副邊輸送能量，反映為副邊輸出的占空比較原邊為小。即ZVS移相造成了輸出占空比丟失，也是ZVS移相全橋變換器的缺點(diǎn)。

　　此外，如圖6所示，[t1，t2]時(shí)間段原邊電流在D2，主變壓器原邊，Lk，Q4之間形成環(huán)流的時(shí)候，電路仍處在續(xù)流模式。這表示電路中存在較大的環(huán)流，環(huán)流在半導(dǎo)體器件尤其是反并二極管中消耗較大能量，造成效率降低。而按前邊的討論，環(huán)流越大，軟開(kāi)關(guān)越容易。軟開(kāi)關(guān)提高的效率和環(huán)流降低的效率之間的矛盾，也是ZVS移相全橋變換器的缺點(diǎn)之一。

　　6 結(jié)束語(yǔ)

　　綜上所述，ZVS移相全橋變換器存在輕載難以實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)、滯后臂軟開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)困難、占空比丟失與軟開(kāi)關(guān)條件相矛盾、以及環(huán)流損失相當(dāng)一部分效率四大固有缺點(diǎn)，這些缺點(diǎn)仍然是今后需要繼續(xù)研究解決的問(wèn)題。