有限雙極性控制ZVZCSPWM全橋變換器

摘要：研究了一種有限雙極性控制ZVZCSPWM全橋變換器,分析了電路原理,給出了一個應(yīng)用實例。

關(guān)鍵詞：有限雙極性控制；零電壓零電流開關(guān)；全橋變換器

1 引言

全橋移相ZVS變換器近年來得到廣泛注意。然而，這種控制方法有幾個明顯的缺點：

1）由于存在環(huán)流，開關(guān)管的導通損耗大，輕載下效率較低,特別是在占空比較小時，損耗更嚴重；

2）輸出整流二極管存在寄生振蕩；

3）為了實現(xiàn)滯后橋臂的ZVS，必須在電路中串聯(lián)電感，這就減小了有效占空比，增大了原邊電流定額。

為了解決這些問題，人們對全橋移相ZVZCS變換器進行了大量研究。其主要思路是超前橋臂實現(xiàn)ZVS，滯后橋臂實現(xiàn)ZCS。這樣在很大程度上解決了原先全橋移相ZVS變換器存在的一些問題。如環(huán)流在很大程度上減小乃至消除了；由于不需要外加電感，有效占空比減小等問題隨之就不存在了。實現(xiàn)滯后橋臂的ZCS，總的來講，可以分成有源和無源兩種方法。采用副邊有源鉗位的ZVZCS方法[1]增加了成本，并由于需要復(fù)雜的隔離驅(qū)動而降低了可靠性。無源的方法又有副邊無源鉗位[2]和原邊無源鉗位[3][4]，也可以原副邊的無源鉗位同時加上，這樣效果更好。

但移相控制本身還有一個難以克服的缺點，即死區(qū)時間不好調(diào)整。當負載較重時，由于環(huán)流大，超前橋臂功率管上并聯(lián)的電容放電較快，因此實現(xiàn)零電壓導通比較容易，但當負載較輕時，超前橋臂功率管上并聯(lián)的電容放電很慢，超前橋臂的開關(guān)管必須延時很長時間后導通才能實現(xiàn)ZVS導通。專用的移相控制芯片如UC3875等很難調(diào)整這個死區(qū)時間。本文研究了一種稱為有限雙極性控制的控制方法，配合上面的ZVZCS PWM全橋拓撲，能實現(xiàn)超前和滯后橋臂全范圍的ZVZCS。

2 ZVZCS PWM全橋電路有限雙極性控制過程分析

有限雙極性控制ZVZCS PWM全橋電路功率部分如圖1所示。Q1～Q4四個功率管（內(nèi)帶續(xù)流二極管）組成一個全橋電路。其中，Q1、Q2組成超前橋臂，兩端分別并聯(lián)有吸收電容C1、C2，用來實現(xiàn)Q1、Q2的ZVS。L1為高頻變壓器的漏感。Cb為隔直電容，用來實現(xiàn)滯后臂（由Q3、Q4組成）的ZCS。

圖1 ZVZCSPWM全橋電路示意圖

在有限雙極性方法控制下，Q1～Q4的驅(qū)動時序見圖2。其中ug1、ug2為脈寬可調(diào)的定頻變寬脈沖；ug3、ug4為互補方波，頻率、脈寬固定。當然考慮到直通的問題，ug3、ug4不能同時為1，要錯開一個固定的死區(qū)時間。ug1、ug4的上升沿（表示Q1、Q4開始導通）一致，ug2、ug3的上升沿一致。uAB表示加在隔直電容及變壓器兩端的電壓。由于超前橋臂并聯(lián)電容的存在，變壓器端電壓在下降時不會突然到零，而是有個過渡過程，其時間取決于并聯(lián)電容的大小及負載電流等條件。ip為變壓器繞組電流。ucb為隔直電容Cb上的電壓，其幅值取決于Cb大小及其它條件，Cb越小，ucb幅值越大，ZCS實現(xiàn)得越好，但同時開關(guān)管電壓應(yīng)力又增大，因此Cb不能太小，一般要讓ucb最大值小于直流輸入電壓的10％。

圖2 全橋電路有限雙極性控制時序及各變量響應(yīng)圖

電路工作過程分析如下：

1）t0時刻Q1、Q4同時導通，變壓器原邊電流ip開始上升，流向是從Q1到L1、變壓器、Cb、Q4。功率從原邊流向副邊，同時隔直電容Cb上的電壓開始上升。為了簡化分析，暫不考慮變壓器的勵磁電流和副邊電流Io的波動，因此變壓器原邊電流ip(t)為

ip(t)=Ipo=Io/n（1）

式中：n為變壓器原副邊匝比。

當然，實際電路中由于副邊整流二極管的反向恢復(fù)過程，ip(t)上升沿有一個尖峰，見圖2。

Cb兩端電壓ucb(t)為