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一種新穎的ZVZCS PWM全橋變換器

時(shí)間:2024-07-19 22:55:51 理工畢業(yè)論文 我要投稿
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一種新穎的ZVZCS PWM全橋變換器

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構簡(jiǎn)單、整機效率高以及電流環(huán)自適應調整等優(yōu)點(diǎn),這使得它特別適合高壓大功率的應用場(chǎng)合。詳細分析了該變換器的工作原理及電路設計,并在一臺功率為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)驗驗證。

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)變換器是目前國內外電源界研究的熱門(mén)課題,并已得到了廣泛的應用。在中小功率的場(chǎng)合,功率器件一般選用MOSFET,這是因為MOSFET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IGBT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(滯后臂的ZVS更難實(shí)現),因此ZVS方案對于IGBT來(lái)說(shuō)并不理想。若采用常規的移相全橋軟開(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(zhù)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零電壓PWM全橋變換器的次級增加了一個(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),且結構簡(jiǎn)單。次級整流二極管的電壓應力與傳統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)能夠根據負載的變化情況自動(dòng)進(jìn)行調整,從而保證了負載在較大范圍內變化時(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。它是在傳統的零電壓PWM全橋變換器的次級增加了一個(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(chēng)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°互補導通,兩個(gè)橋臂的導通角相差一個(gè)相位,即移相角,通過(guò)調節移相角的大小來(lái)調節輸出電壓。超前臂開(kāi)關(guān)管實(shí)現零電壓導通和關(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)現零電流導通和關(guān)斷的,由于輸出電感的儲能用來(lái)實(shí)現超前臂開(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Ch放電,流過(guò)變壓器的原邊電流在諧振周期內減小到零,從而實(shí)現了滯后橋臂的ZCS。

為了便于分析變換器的穩定工作狀態(tài),而作如下假設:

——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,變換器有8種開(kāi)關(guān)模態(tài)。因為,電流環(huán)能夠根據負載的變化而作相應的調整,所以,這些開(kāi)關(guān)模態(tài)在負載較輕的情況下變化很小。

1.1 變換器在滿(mǎn)載條件下工作

假定變換器工作在滿(mǎn)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(xiàn)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繼續導通,輸入功率傳到了變壓器的次級。輔助線(xiàn)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)下導通,Ch的最大電壓值VH應當設計得比輸入電壓反射到次級的電壓Vs/n小。

3)開(kāi)關(guān)模態(tài)3[t2,t3]當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(xiàn)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vsec下降到VH時(shí),二極管Dd導通,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,因為與原邊電壓相比,vsec的下降非常

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