一種新穎的ZVZCS PWM全橋變換器
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摘要：提出了一種新穎的零電流零電壓開(kāi)關(guān)（ZCZVS）PWM全橋變換器，通過(guò)增加一個(gè)輔助電路的方法實(shí)現(xiàn)了變換器的軟開(kāi)關(guān)。與以往的ZCZVSPWM全橋變換器相比，所提出的新穎變換器具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、整機(jī)效率高以及電流環(huán)自適應(yīng)調(diào)整等優(yōu)點(diǎn)，這使得它特別適合高壓大功率的應(yīng)用場(chǎng)合。詳細(xì)分析了該變換器的工作原理及電路設(shè)計(jì)，并在一臺(tái)功率為4kW，工作頻率為80kHz的通信用開(kāi)關(guān)電源裝置上得到了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
關(guān)鍵詞：全橋變換器；零電壓開(kāi)關(guān)；零電流開(kāi)關(guān)；軟開(kāi)關(guān)；脈寬調(diào)制
引言
移相全橋零電壓PWM軟開(kāi)關(guān)（PS?FB?ZVS）變換器與移相全橋零電壓零電流PWM軟開(kāi)關(guān)（PS?FB?ZVZCS）變換器是目前國(guó)內(nèi)外電源界研究的熱門(mén)課題，并已得到了廣泛的應(yīng)用。在中小功率的場(chǎng)合，功率器件一般選用MOSFET，這是因?yàn)镸OSFET的開(kāi)關(guān)速度快，可以提高開(kāi)關(guān)頻率，采用ZVS方式，就可將開(kāi)關(guān)損耗減小到較為理想的程度[1]。而在高壓大功率的場(chǎng)合，IGBT更為合適。但I(xiàn)GBT的最大的缺點(diǎn)是具有較大的開(kāi)關(guān)損耗，尤其是由于IGBT的“拖尾電流”特性，使得它即使工作在零電壓情況下，關(guān)斷損耗仍然較大，要想在ZVS方式下減少關(guān)斷損耗，則必須加大IGBT的并聯(lián)電容。然而由于輕載時(shí)ZVS很難實(shí)現(xiàn)（滯后臂的ZVS更難實(shí)現(xiàn)），因此ZVS方案對(duì)于IGBT來(lái)說(shuō)并不理想。若采用常規(guī)的移相全橋軟開(kāi)關(guān)變換器，其優(yōu)點(diǎn)是顯而易見(jiàn)的，即功率開(kāi)關(guān)器件電壓、電流額定值小，功率變壓器利用率高等，但是它們卻也存在著各種各樣的缺點(diǎn)：有的難以適用于大功率場(chǎng)合；有的要求很小的漏感；有的電路較為復(fù)雜且成本很高[2][3][4][5][6]。
本文提出了一種新穎的ZVZCSPWM全橋變換器，它能有效地改進(jìn)以往所提出的ZVZCSPWM全橋變換器的不足。這種變換器是在常規(guī)零電壓PWM全橋變換器的次級(jí)增加了一個(gè)輔助電路，此輔助電路的優(yōu)點(diǎn)在于沒(méi)有有損元件和有源開(kāi)關(guān)，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。次級(jí)整流二極管的電壓應(yīng)力與傳統(tǒng)PWM全橋變換器相等，而ZCS具有最小的環(huán)路電流值。電流環(huán)能夠根據(jù)負(fù)載的變化情況自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整，從而保證了負(fù)載在較大范圍內(nèi)變化時(shí)變換器同樣具有較高的效率。
1 工作原理
該ZVZCSPWM全橋變換器主電路如圖1所示。它是在傳統(tǒng)的零電壓PWM全橋變換器的次級(jí)增加了一個(gè)輔助電路，同時(shí)，該變換器還采用了移相控制方式。在圖1中，S1和S3分別超前于S4和S2一個(gè)相位，稱S1和S3組成的橋臂為超前臂，S2和S4組成的橋臂為滯后臂。C1和C3分別是S1和S3的外接電容。Lr是諧振電感，它包括了變壓器的漏感。每個(gè)橋臂的兩個(gè)功率管成180互補(bǔ)導(dǎo)通，兩個(gè)橋臂的導(dǎo)通角相差一個(gè)相位，即移相角，通過(guò)調(diào)節(jié)移相角的大小來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓。超前臂開(kāi)關(guān)管實(shí)現(xiàn)零電壓導(dǎo)通和關(guān)斷的工作原理與ZVSPWM全橋變換器相同，而滯后臂開(kāi)關(guān)管是通過(guò)輔助電路來(lái)實(shí)現(xiàn)零電流導(dǎo)通和關(guān)斷的，由于輸出電感的儲(chǔ)能用來(lái)實(shí)現(xiàn)超前臂開(kāi)關(guān)管的ZVS，所以可以用外接電容來(lái)減小開(kāi)關(guān)損耗。通過(guò)對(duì)Ch放電，流過(guò)變壓器的原邊電流在諧振周期內(nèi)減小到零，從而實(shí)現(xiàn)了滯后橋臂的ZCS。
為了便于分析變換器的穩(wěn)定工作狀態(tài)，而作如下假設(shè)：
――所有開(kāi)關(guān)管、二極管、電容、電感均為理想元器件；
――輸出濾波電感Lf足夠大，在一個(gè)開(kāi)關(guān)過(guò)程中可以等效為一個(gè)恒流源。
圖2
在半個(gè)工作周期內(nèi)，變換器有8種開(kāi)關(guān)模態(tài)。因?yàn)椋娏鳝h(huán)能夠根據(jù)負(fù)載的變化而作相應(yīng)的調(diào)整，所以，這些開(kāi)關(guān)模態(tài)在負(fù)載較輕的情況下變化很小。
1.1 變換器在滿載條件下工作
假定變換器工作在滿載條件下，其各個(gè)模態(tài)的等效電路及主要波形圖如圖2和圖3所示。
1）開(kāi)關(guān)模態(tài)1[t0，t1]在t0時(shí)刻，開(kāi)關(guān)管S1及S4導(dǎo)通，輸入電壓Vs加到了變壓器的漏感Lr上，原邊電流ip從零開(kāi)始線性增加，在t1時(shí)刻，電流ip增加到與輸出電感電流值相等。電流ip的變化式如式（1）所示。
ip(t)=(Vs/Lr)t （1）
2）開(kāi)關(guān)模態(tài)2[t1，t2]t1時(shí)刻后，開(kāi)關(guān)管S1和S4繼續(xù)導(dǎo)通，輸入功率傳到了變壓器的次級(jí)。輔助線圈的漏感Llks與吸持電容Ch產(chǎn)生諧振，給Ch充電，Ch上的電壓及電流可由式（2）及式（3）得到。
在t2時(shí)刻，Ch上的電壓達(dá)到最大值VH，同時(shí)電流減小為零。為了防止二極管Dd在該工作模態(tài)下導(dǎo)通，Ch的最大電壓值VH應(yīng)當(dāng)設(shè)計(jì)得比輸入電壓反射到次級(jí)的電壓Vs/n小。
3）開(kāi)關(guān)模態(tài)3[t2，t3]當(dāng)Ch的充電電流減小到零的時(shí)候，Dc零電流關(guān)斷，Ch上的電壓保持在VH。原邊電流仍被傳遞到輸出端。
4）開(kāi)關(guān)模態(tài)4[t3，t4]在t3時(shí)刻，S1關(guān)斷，原邊電流給電容C1充電，使C3放電，變壓器原邊電壓vAB開(kāi)始線性下降，即
vAB(t)=Vs－(Io/nCeq)t （5）
式中：Io為輸出電流；
Ceq=C1＋C3。
變壓器的次級(jí)電壓vsec以相同的速率下降，直到t4時(shí)刻其值與Ch上的電壓值相等為止。
5）開(kāi)關(guān)模態(tài)5[t4，t5]當(dāng)vsec下降到VH時(shí)，二極管Dd導(dǎo)通，vsec被箝位在Ch的電壓值。變壓器的原邊電壓vAB還以與先前同樣的速率下降到零，而vsec則緩慢地下降。在該模態(tài)下，因?yàn)榕c原邊電壓相比，vsec的下降非常緩慢，因此可以把vsec看作常數(shù)。變壓器次級(jí)電壓反射到初級(jí)上的電壓值和初級(jí)電壓值之差加在了諧振電感Lr上，變壓器原邊電流和電壓分別按式（6）及式（7）規(guī)律下降。
到t5時(shí)刻，C3上的電量被完全釋放，C3電壓下降到零，同時(shí)開(kāi)關(guān)管S3零電壓導(dǎo)通。原邊電壓vAB也下降到零。
6）開(kāi)關(guān)模態(tài)6[t5，t6]該模態(tài)下，變壓器次級(jí)電壓反射到初級(jí)上的電壓加到了變壓器的漏感上，原邊電流以更快的速率下降到零.
變壓器次級(jí)電壓按式（9）規(guī)律下降。
vsec(t)=VHcos(ωct) （9）
7）開(kāi)關(guān)模態(tài)7[t6，t7]原邊電流復(fù)位，整流二極管關(guān)斷。電容Ch通過(guò)Dd放電，向負(fù)載提供電流。變壓器次級(jí)電壓按式(10)規(guī)律下降到零。
vsec(t)=VHcos(ωctm6)－(iO)t （10）
式中：tm6=t6－t5。
8）開(kāi)關(guān)模態(tài)8[t7，t8]Ch完全放電，輸出感應(yīng)電流通過(guò)續(xù)流二極管Df續(xù)流。在t8時(shí)刻，開(kāi)關(guān)管S4的驅(qū)動(dòng)脈沖下降為零，S4零電流關(guān)斷。
1.2 變換器在輕載條件下工作
假定變換器工作在輕載條件下，隨著負(fù)載電流的降低，Ch在模態(tài)7時(shí)不能完全放電，其上電流在t10時(shí)刻以前連續(xù)地提供給負(fù)載，其電壓的最大值與最小值之間的差值可通過(guò)對(duì)自身的放電電流積分來(lái)獲得，如式（11）所示。
由式（11）可以看出，在帶輕載的條件下，式（3）
所表示的Ch上的電流產(chǎn)生如下變化。
2 電路設(shè)計(jì)
2.1 超前臂的ZVS條件
為了實(shí)現(xiàn)超前臂的ZVS，開(kāi)關(guān)電壓應(yīng)當(dāng)在死區(qū)時(shí)間內(nèi)下降到零，即：
tdead>tm4＋tm5 （13）
式中：
從式（15）可以看出，保證開(kāi)關(guān)管實(shí)現(xiàn)ZVS的最小電流可由式（16）得到。
不同的吸持電容Ch數(shù)值與最大電壓值VH所對(duì)應(yīng)的ZVS范圍如圖4所示。開(kāi)關(guān)管超前臂的關(guān)斷損耗可通過(guò)給IGBT增加外接緩沖電容來(lái)減小。從圖4還可以看出大電容Ceq對(duì)ZVS范圍的限制。因此，Ceq的選擇應(yīng)綜合考慮ZVS范圍和超前臂的開(kāi)關(guān)關(guān)斷損耗。
2.2 滯后臂的ZCS條件
吸持電容的歸一化值如式（17）所示。
圖5所示為吸持電容不同歸一化值所對(duì)應(yīng)的原邊電流的復(fù)位情況。為了實(shí)現(xiàn)滯后臂的ZCS，Ch的能量應(yīng)該足夠大，從而通過(guò)Lr使原邊電流復(fù)位，且原邊電流應(yīng)當(dāng)在滯后臂關(guān)斷之前減小到零。從式（11）、式（12）、式（15）、式（16）、式（17）可得到式（18）。
從式（18）和圖5可以看出，為了確保ZCS，應(yīng)當(dāng)增加Ch或VH的值。但是，VH的最大值不能高于輸入電壓反射到次級(jí)的電壓Vs/n；同樣，大電容Ch增大了環(huán)路電流，而環(huán)路電流又通過(guò)Ch間接加到了負(fù)載。綜合考慮，軟開(kāi)關(guān)在變換器功耗方面的效果不僅與開(kāi)關(guān)損耗的減小有關(guān)，還與由軟開(kāi)關(guān)引起的附加導(dǎo)通損耗有關(guān)。為了獲得預(yù)期的效率，要求在設(shè)計(jì)時(shí)Ch的值取得越小越好，從而使附加導(dǎo)通損耗最小化。
2.3 輸出耦合電感
為了保證輔助電路二極管Dc的軟變換，輸出耦合電感的漏感Llks應(yīng)當(dāng)滿足式（19）。
式中：Dmin為最小占空比。
給Ch充電的諧振電流也耦合到了輸出電感電流中，從而增加了輸出電容的電流紋波。因此，Llks應(yīng)當(dāng)在滿足式（19）的條件下盡量取大，以減小諧波電流的有效值。
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
為了驗(yàn)證ZVZCSPWM全橋變換器的工作原理和性能，在實(shí)驗(yàn)室完成了一臺(tái)80V/50A，80kHz的樣機(jī)，其電路如圖6所示，參數(shù)如下：
輸入直流電壓Vs=630（110％）V；
圖3
變壓器原副邊匝比N1∶N2=5.33，變壓器原邊漏感Lr=9μH；
輸出濾波電感Lf=20μH，N3∶N4=1.12，漏感Llks=1.8μH；
輸出整流二極管Dc，Dd，Df，DrecC60P40FE(400V，60A)；C1=C3=1nF；Ch=0.47μF(電解電容)；R=30Ω，C=2.2nF，C′=6.6nF；
開(kāi)關(guān)頻率f=80kHz。
圖8給出了根據(jù)原理樣機(jī)得到的效率曲線。滿載時(shí)效率最高，達(dá)到94％。
圖7
4 結(jié)語(yǔ)
本文提出了一種新穎的ZVZCSPWM全橋變換器，并具體分析了它的工作原理、電路設(shè)計(jì)及性能。最后通過(guò)一臺(tái)4kW的原理樣機(jī)的試驗(yàn)結(jié)果，證明了該變換器具有以下主要優(yōu)點(diǎn)：
――所采用的輔助電路無(wú)有源開(kāi)關(guān)；
――次級(jí)整流二極管具有與傳統(tǒng)的全橋PWM變換器相同的電壓應(yīng)力值；
――輔助電路二極管Dc實(shí)現(xiàn)了軟變換；
――能夠使變換器在開(kāi)關(guān)頻率為80kHz且滿載時(shí)效率高達(dá)94％。
評(píng)論