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推挽正激軟開關(guān)電路的實(shí)現(xiàn)與比較

作者: 時(shí)間:2012-01-16 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏
1 引言

  功率變換器的技術(shù)在當(dāng)今電源領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。它不僅可以提高變換器的可靠性和開關(guān)頻率,而且可以減小體積和重量,降低開關(guān)過程中的通態(tài)損耗,提高整機(jī)效率。應(yīng)用于電路[1,2]的電路拓?fù)渫ǔJ强紤]在其整流橋之后增加一輔助諧振網(wǎng)絡(luò),利用諧振電容上的電壓來封鎖整流橋,從而達(dá)到零電流關(guān)斷主管的目的。圖1給出了不同諧振網(wǎng)絡(luò)下的方案:
  諧振網(wǎng)絡(luò)(a):利用變壓器副邊漏感和諧振電容組成諧振支路,諧振電感位于主功率回路中,構(gòu)成方案[3];
  諧振網(wǎng)絡(luò)(b):增加兩個(gè)單向?qū)ǘO管D5、D6,把諧振電感Lr移出主回路,構(gòu)成方案[4]。
  諧振網(wǎng)絡(luò)(c):在變壓器的副邊增加一個(gè)和整流橋,與諧振電感、諧振電容組成一個(gè)獨(dú)立的諧振網(wǎng)絡(luò),構(gòu)成變壓器方案[5]。
  文獻(xiàn)[3-5]對(duì)諧振網(wǎng)絡(luò)及其參數(shù)的取值大小沒有詳加分析。本文從能量的角度確立了理論依據(jù)并根據(jù)諧振感值大小的差異引出了不同諧振模式的分析探討。

2 簡要的工作模態(tài)分析

  在簡要分析電路工作原理之前假設(shè)所有元件均為理想器件,則Lf、Cf、RL可以看成一個(gè)電流為Io的電流源。
  圖1中,Vin為直流輸入電壓, Lr為諧振電感,Cr為諧振電容,
為功率變壓器副邊等效漏感,主變壓器原、副邊變比K=NS/N1,變壓器與變壓器原邊的變比n=Nf/N1。圖2給出了簡要的工作原理波形。


圖1 軟開關(guān)諧振網(wǎng)絡(luò)電路拓?fù)鋄(a)—(c)]

  [1]t0-t1:在t0時(shí)刻前,S1、S2均關(guān)斷,漏感平均電流Iav[6]在原邊環(huán)流,負(fù)載電流通過整流橋[D1—D4]續(xù)流。此時(shí),諧振電感電流和諧振電容電壓為零。t0時(shí)刻S1開通,副邊電壓KVin加
  在副邊繞組上,電流從0開始線性上升。同時(shí),D1、D3電流開始線性上升,D2、D4電流下降。t1時(shí)刻,ID1=ID3上升到Io。
  [2]t1-t4:在此時(shí)間段內(nèi) ,根據(jù)諧振網(wǎng)絡(luò)的不同,工作模態(tài)不盡相同。
  諧振網(wǎng)絡(luò)(a): t1時(shí)刻,Da自然導(dǎo)通,L 和Cr開始諧振。由于漏感較小,經(jīng)過Tr/2, t2時(shí)刻Da反向截止,VCr為2KVin保持不變。t3時(shí)刻,開通Sa,
和Cr繼續(xù)被打斷的諧振過程。t4時(shí)刻,
減小至零,D1、D3零電流關(guān)斷,減小了反向恢復(fù),副邊電流減小至零。此時(shí)原邊只有漏感平均電流Iav和勵(lì)磁電流在輸入電源—N1—C—N2構(gòu)成的回路中環(huán)流,開關(guān)管中電流為零。t4時(shí)刻以后,S1可以零電流關(guān)斷。
  諧振網(wǎng)絡(luò)(b)和(c):工作過程與(a)類似。(a)和(b)的諧振激勵(lì)源電壓為 KVin;(c)則為nVin。根據(jù)諧振電感值大小的不同,工作模態(tài)還稍有變化。(詳細(xì)分析見4)
[3]t4-t6:t4時(shí)刻開始諧振電容放電提供全部的負(fù)載電流,電容電壓為Vcr*(見表1):t5時(shí)刻,可以零電流關(guān)斷S1;t6時(shí)刻,電容電壓減小到0。若電容值太大,諧振電容電壓在輔管關(guān)斷時(shí)則不能放至零(詳細(xì)分析見4)

表1 不同諧振網(wǎng)絡(luò)方案下t4時(shí)刻諧振電容電壓表達(dá)式


  [4]t6-t8:t6時(shí)刻,負(fù)載電流Io通過整流橋(D1—D4)續(xù)流,t7時(shí)刻,可以零電壓/零電流關(guān)斷輔助開關(guān)管Sa。t8時(shí)刻,零電流開通主開關(guān)管S2,開始下半個(gè)開關(guān)周期。


圖2 簡要的工作原理圖


3 軟開關(guān)的實(shí)現(xiàn)條件

  由以上分析可知:只要在輔管開通到主管關(guān)斷(定義為
=t5-t3)時(shí),滿足
VCr≥KVin ?。?)

  就能實(shí)現(xiàn)對(duì)副邊整流橋(D1—D4)的箝位,封鎖整流橋,實(shí)現(xiàn)主功率管的零電流關(guān)斷。

4 諧振網(wǎng)絡(luò)的分析與參數(shù)設(shè)計(jì)

  前面所提三種軟開關(guān)方案的基本原理是一致的卻稍有不同:根據(jù)電感是否處于主功率回路可分為兩種方式;根據(jù)電感取值的大小,則可以分成兩種諧振工作模式。下面就各諧振網(wǎng)絡(luò)分別進(jìn)行具體分析。

4.1關(guān)于兩種諧振工作模式的討論

  根據(jù)電感取值的大小,可以形成兩種諧振模式:感值較小時(shí),諧振周期相對(duì)開關(guān)周期較小,在Da的作用下,電感電流減至零后反向截止,實(shí)質(zhì)為半波諧振工作模式;感值很大時(shí),諧振周期tr>DTs-△Tf,至輔管開通時(shí)電感電流還未到零。此種模式下,諧振網(wǎng)絡(luò)內(nèi)環(huán)流較小,諧振電容電壓VCr2KVin,暫且定義為大電感諧振工作模式;兩者臨界狀態(tài)為
tr= Tr/2=DminTs-△Tf ?。?)。


4.2諧振網(wǎng)絡(luò)損耗分析

  在分析諧振網(wǎng)絡(luò)損耗之前,做出如下假設(shè):
  諧振網(wǎng)絡(luò)為典型串聯(lián)諧振模型,激勵(lì)源電壓為KVin;Lr、Cr為理想無損元件;網(wǎng)絡(luò)內(nèi)寄生電阻和二極管體電阻設(shè)為Rloss。則諧振電感電流:
      ?。?)

  諧振電容電壓:
    ?。?)

  其中:

  則諧振網(wǎng)絡(luò)損耗為:

=
   ?。?)

  tr∈(Tr/4,Tr/2)從前面的式子可以看出在Lr盡可能大的情況下, Cr為取值較小時(shí),諧振網(wǎng)絡(luò)環(huán)流和損耗較小。
  為使諧振網(wǎng)絡(luò)在主功率管開通時(shí)間內(nèi)儲(chǔ)存能量,輻管實(shí)現(xiàn)零電流容性開通,ZCZVS關(guān)斷。
則諧振網(wǎng)絡(luò)必須工作于兩種工作模式的臨界狀態(tài)為最佳:即在DminTs-△Tf時(shí)間內(nèi),LC網(wǎng)絡(luò)諧振,使得諧振結(jié)束時(shí)VCr達(dá)到2KVin。

4.3 諧振電容的選取

  諧振電容取值推導(dǎo)以諧振網(wǎng)絡(luò)(c)為例:諧振電容Cr的選取由放電時(shí)間和輸出負(fù)載決定。當(dāng)主管關(guān)斷時(shí)必須滿足公式(1)則:
    (6)

  為保證軟開關(guān)的實(shí)現(xiàn),須滿足:
          ?。?)

  △t為諧振電容至
放電至
的時(shí)間,
為輔管開通到主管關(guān)斷時(shí)間
=t5-t3。
  由此可得出:
      (8)

  與此同時(shí),當(dāng)輔管關(guān)斷時(shí),Cr上的電壓要能放至零,保證輔管實(shí)現(xiàn)零電壓/零電流關(guān)斷。放電時(shí)間(即輔管導(dǎo)通時(shí)間為Tf):
        (9)

  且
        ?。?0)
  則得:
?。?1)
  又因?yàn)橛晒剑?)可知:
         (12)

  且
       ?。?3)
   
         (14)
  通常取
       ?。?5)
  當(dāng)D=Dmax時(shí)式(11)有最小值。
  綜上可以得到諧振電容的選取公式:
(16)

  其中:
是最大負(fù)載電流,
是最大輸出功率,
是主管開關(guān)頻率,
是輸出額定電壓。
的調(diào)節(jié)范圍為:
    [0,
]
  根據(jù)諧振電容上的電荷平衡,可得
?。?7)

  當(dāng)為臨界工作模式時(shí),將(2)式代入上式,可得:
滿足式(10)。
  ①I0過小即輕載時(shí),假設(shè)Tf、Cr不變由(9)(10)可知:當(dāng)
時(shí),電容電壓不能放至零。
 ?、贑r太大,I0一定時(shí),為滿足式(17)Tf就要延長
時(shí),電容電壓也不能放至零,輔管失去ZCZVS關(guān)斷的條件。

4.4 諧振電感的選取

  由分析可知:工作在臨界狀態(tài)時(shí),確定諧振電容值Cr和△Tf后,Lr就由(2)式?jīng)Q定。在此種方式下諧振環(huán)流、損耗最小,且輔管為ZCZVS關(guān)斷。

4.5 諧振網(wǎng)絡(luò)各自的特點(diǎn)

  A、諧振網(wǎng)絡(luò)(a)構(gòu)成的方案:
  拓?fù)浜啙?,但由于變壓器副邊漏感較小,副邊整流橋的電流應(yīng)力較大,從而導(dǎo)致原邊電流在主功率管導(dǎo)通時(shí)有一電流上沖,電流應(yīng)力大;電壓應(yīng)力為2KVin,造成的損耗較大。
  B、 諧振網(wǎng)絡(luò)(b)構(gòu)成的方案:
  拓?fù)漭^簡潔,Lr實(shí)現(xiàn)了可調(diào),與ZCS不同的是它有兩種諧振工作模式。根據(jù)4.2中的結(jié)論,使諧振網(wǎng)絡(luò)工作在臨界諧振模式時(shí),諧振回路的環(huán)流大大減小,使得變壓器原副邊電流在主功率管導(dǎo)通時(shí)上升平緩,導(dǎo)通時(shí)的電流應(yīng)力大為減??;但電壓應(yīng)力沒有得到改善。
  C、諧振網(wǎng)絡(luò)(C)構(gòu)成的輔助繞組方案:
與(a)(b)相比,它的優(yōu)勢(shì)在于可以通過改變變壓器匝比,調(diào)節(jié)諧振參數(shù)來達(dá)到減小電壓應(yīng)力和電流應(yīng)力的目的。降低了變壓器原邊電流,整流管的電壓、電流應(yīng)力,但新增加的輔助整流橋卻帶來了較大的損耗,拓?fù)湟脖容^復(fù)雜。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

  根據(jù)以上分析設(shè)計(jì)了三套軟開關(guān)諧振網(wǎng)絡(luò)并研制了一臺(tái)24—30V輸入/76V輸出的1KW原理樣機(jī)。主管S1、S2:IXFK180N10;輔管Sa:IRFP460LC;主變壓器:雙EE42磁心(K=4,n=3);整流管:DSEI30-06A。諧振網(wǎng)絡(luò)參數(shù)均設(shè)計(jì)在兩種諧振模式臨界條件下。(表1給出了各方案下的諧振參數(shù)與性能指標(biāo))圖3給出了ZCT方案、27V輸入下的實(shí)驗(yàn)波形。從實(shí)驗(yàn)波形可看出:諧振電感電流較小,有效值不到1A,輔管為ZCZVS關(guān)斷;圖4為三種不同諧振網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下的效率對(duì)比曲線:在ZCS下,諧振網(wǎng)絡(luò)的損耗較大,而ZCT和輔助繞組方案下,諧振網(wǎng)絡(luò)損耗較小;采用ZCT方案特別是在滿載情況下效率要比ZCS方案來得高;而輔助繞組方案元器件較多,電路復(fù)雜,寄生參數(shù)較多,同時(shí)又增加了變壓器的銅耗,實(shí)驗(yàn)效率較低。

表2 不同諧振網(wǎng)絡(luò)軟開關(guān)電路拓?fù)湫阅軈?shù)表



圖3 ZCT臨界諧振工作模式下的實(shí)驗(yàn)波形


圖4 27V輸入不同諧振網(wǎng)絡(luò)軟開關(guān)電路效率對(duì)比曲線


6 結(jié)論

  通過理論分析、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可以得出如下結(jié)論:
  1、ZCS方案實(shí)質(zhì)上是ZCT方案在TrTs下的一個(gè)特殊情形;
  2、當(dāng)諧振網(wǎng)絡(luò)參數(shù)滿足兩種諧振模式的臨界條件時(shí),諧振環(huán)流,諧振網(wǎng)絡(luò)損耗較小,輔管為容性開通,ZCZVS關(guān)斷;
  3、綜合三種諧振網(wǎng)絡(luò)分析、實(shí)驗(yàn)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn): ZCT方案較具有吸引力,其拓?fù)浜啙崳瑢?shí)現(xiàn)容易且滿載下效率較高,為91.47%。

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