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一種基于軟開關(guān)三電平DC/DC開關(guān)電源的研制

作者: 時(shí)間:2013-08-02 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

1 引言

目前,開關(guān)電源正朝著高頻、高效、環(huán)保等方向發(fā)展。與傳統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比,三電平變換器由于具有開關(guān)管電壓應(yīng)力為輸入直流電壓的一半,適合輸入電壓較高的場合,輸出電壓諧波小等優(yōu)點(diǎn),從而備受關(guān)注。此外,伴隨著高頻化發(fā)展,出現(xiàn)了軟開關(guān)技術(shù),并結(jié)合三電平產(chǎn)生了不同拓?fù)涞腄C/DC變換器。傳統(tǒng)ZVS半橋三電平DC/DC變換器輕載時(shí)滯后管難以實(shí)現(xiàn)ZVS,且開通損耗嚴(yán)重。消除了ZVS三電平變換器零狀態(tài)時(shí)變壓器初級環(huán)流,減小了初級通態(tài)損耗,同時(shí)改善了占空比丟失問題,近年來得到了廣泛研究。

這里提出一種新型ZVZCS半橋三電平DC/DC變換器,其次級采用了一個(gè)簡單的無源筘位網(wǎng)絡(luò),通過這個(gè)無源箝位網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了超前橋臂在一定負(fù)載范圍內(nèi)的ZVS和滯后橋臂的ZCS。

2 主電路工作原理

圖1為新型半橋三電平DC/DC變換器拓?fù)洹?/P>



由圖1可見,次級采用的無源箝位網(wǎng)絡(luò)主要由箝位電容CA和二極管VDA1,VDA2,VDA3構(gòu)成。變壓器次級中心抽頭通過VDA1連接到CA,將次級電壓箝位在一個(gè)較低的水平。Cs1,Cs2為等值的輸入分壓電容,VDc1,VDc2為箝位二極管,Css為飛跨電容,Llk為變壓器漏感,n為變比,VDR1~VDR4為整流二極管,Lf,Cf分別為濾波電感、電容,Uin,Uo為輸入、輸出直流電壓。采用移相PWM控制策略,工作波形如圖2所示。


為簡化分析,作如下假設(shè):電路各器件均為理想元件;Lf足夠大,其電流不變;將Cf看作恒壓源。變換器在半個(gè)穩(wěn)態(tài)開關(guān)周期內(nèi)有9個(gè)工作模態(tài),分析如下:

新周期開始前超前管VS1導(dǎo)通,負(fù)載電流通過整流二極管續(xù)流,a,b間電壓、次級電壓、初級電流分別為uab,urec,ip,此時(shí)uab=urec= 0,ip=0.

模態(tài)1(t1~t2) t1時(shí)刻,滯后管VS2導(dǎo)通,新周期開始。由于ip=0,VS2此時(shí)ZCS開通。uab=Uin/2,ip線性增加。由于ip仍小于負(fù)載電流Io折算到初級的值Io/n,VDR1~VDR4全部導(dǎo)通,urec為零,說明該模態(tài)中次級存在占空比丟失現(xiàn)象。

模態(tài)2(t2~t3) t2時(shí)刻,ip達(dá)到Io/n,VDR1,VDR4關(guān)斷,初級開始向負(fù)載傳遞能量。由于CA上電壓為零,VDR1,VDR4為ZVS關(guān)斷。同時(shí)VDA1導(dǎo)通,輸入部分能量通過Ilk,VDA1向CA充電。記Uins(m2)為此模態(tài)中初級折算到次級的等效電壓,Llk(m2)為折算到次級的等效漏感,則CA的電流iCA電壓uCA,ip及urec分別為:



由于CA通過變壓器次級中心抽頭充電,urec=2uCA.t3時(shí)刻,uCA=Uo,VDA3導(dǎo)通,urec被箝位為2Uo.記UrecP為次級電壓峰值,則UrecP= 2Uo.

模態(tài)3(t3~t4)記uCA電壓峰值為UCAM,UCAM=Uo保持不變,Llk中的諧振電流經(jīng)過VDA3流向Cf,iCA迅速減小為零,urec保持2Uo不變。t4時(shí)刻Llk電流諧振到零,VDA1,VDA3 ZCS關(guān)斷。

模態(tài)4(t4~t5) uCA仍保持UCAM不變,由于該模態(tài)下urec>Uo,VDA2不會導(dǎo)通,有ip(t)=Io/n,urec(t)=Uin/(2n)。

模態(tài)5(t5~t6) t5時(shí)刻,VS1 ZVS關(guān)斷,記電容C1,C4電壓分別為uC1,uC4,則UC1(t5)=0,UC4(t5)=Uin/2,ip向C1充電,C4放電,次級電壓和整流二極管電壓迅速減小,則有:



模態(tài)6(t6~t7)隨著urec的減小,整流二極管兩端電壓迅速下降,在t6時(shí)刻被箝位為UCAM,此時(shí)VDA2 ZVS導(dǎo)通,CA開始放電,ip下降。則有:



模態(tài)7(t7~t8)t7時(shí)刻,C1充電結(jié)束,C4放電結(jié)束,UC1(t7)=Uin/2,UC4(t7)=0,VDc1開通,將VS1的電壓箝位在Uin/2,uab減小至零,ip迅速復(fù)位,CA繼續(xù)向負(fù)載放電。有:



模態(tài)8(t8~t9) t8時(shí)刻,ip完全復(fù)位,VDR2和VDR3關(guān)斷。負(fù)載電流由CA提供,uCA逐漸減小到零,整流二極管上的電壓也逐漸減小。有:

模態(tài)9(t9~t10) t9時(shí)刻,CA放電結(jié)束,VDA2關(guān)斷(ZVZCS),Lf,Cf開始提供負(fù)載電流,VDR1~VDR4全部開通,負(fù)載電流通過整流二極管續(xù)流。3 實(shí)現(xiàn)ZVZCS的條件

3.1 超前橋臂ZVS范圍

續(xù)流階段超前臂的ZVS特性與原來的ZVS移相控制電路相比有所不同,VS1關(guān)斷后,在urec下降到UCAM之前,超前臂的瞬態(tài)過程與ZVS移相控制電路一致,Lf參與諧振;在urecUCAM后,僅有漏感參與諧振過程,為實(shí)現(xiàn)超前臂的ZVS,必須有一定的漏感儲能。

模態(tài)5中,urec下降到UCAM,Lf參與對C1充電,對C4放電,根據(jù)式(2)中第3式,可得:

式中:IoZVSm為實(shí)現(xiàn)ZVS的最小負(fù)載電流。

模態(tài)6中,uC4減小到零,為VS4的ZVS開通創(chuàng)造條件,此時(shí)只有漏感參與超前橋臂的ZVS。由式(3)中第2式及UC4(t7)=0可得:


由于CpLf,IoZVSm的值滿足上式也一定滿足式(6)。為實(shí)現(xiàn)VS4的ZVS開通,uC4在t7時(shí)刻減小到零,同時(shí)uC1達(dá)到

可見,Lf的能量僅在第一階段參與C1,C4的充放電,而最終諧振電容的充放電要靠漏感儲能來實(shí)現(xiàn),超前橋臂的ZVS只能在一定負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)。

3.2 滯后橋臂ZCS范圍

模態(tài)7中,由Ip(t8)=0,CpCA以及式(4)中的第1式可得:

為保證續(xù)流階段初級無能量循環(huán),模態(tài)8結(jié)束時(shí)uCA必須降到零。由式(5)可得,模態(tài)8的持續(xù)時(shí)間tm8=(CA/Io)Urec(t8)。

4 仿真與實(shí)驗(yàn)分析

在Pspice 9.2環(huán)境下對變換器進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明該拓?fù)淠軌驅(qū)崿F(xiàn)所有功率開關(guān)管的軟開關(guān)及二極管的軟換流,且次級電壓應(yīng)力較低。為進(jìn)一步驗(yàn)證理論分析的正確性,研制了一臺輸出為48 V/20 A的實(shí)驗(yàn)樣機(jī),在樣機(jī)上進(jìn)行了波形測試分析,實(shí)驗(yàn)波形如圖3所示。圖3a,b為VS1的ZVS開通、關(guān)斷波形,其中,uds為漏源電壓,ugVS1為驅(qū)動電壓。圖3c為VS2的ZCS波形,其中,id為漏極電流。圖3d為urec波形。

可見,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析基本一致,實(shí)現(xiàn)了超前橋臂一定負(fù)載范圍內(nèi)的ZVS和滯后橋臂的ZCS。此外,在純阻性負(fù)載下對變換器效率進(jìn)行測試,最大效率達(dá)92%,輕載時(shí)效率仍接近90%,與傳統(tǒng)ZVZCS三電平變換器相比,效率有所提高。

5 結(jié)論

提出的新型變換器通過諧振電容與漏感及濾波電感之間的諧振,來實(shí)現(xiàn)超前橋臂開關(guān)管的零電壓轉(zhuǎn)換,通過變壓器次級繞組中心抽頭對箝位電容充電及箝位電容的放電,來實(shí)現(xiàn)滯后橋臂開關(guān)管的零電流轉(zhuǎn)換,有效地降低了次級整流管的電壓應(yīng)力。此外箝位電容能量通過負(fù)載放電,減小了次級占空比丟失現(xiàn)象,提高了變換器效率。



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