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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關(guān)(ZCZVS)PWM全橋變換器,通過增加一個(gè)輔助電路的方法實(shí)現(xiàn)了變換器的軟開關(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),并在一臺功率為4kW,工作頻率為80kHz的通信用開關(guān)電源裝置上得到了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

      引言

      移相全橋零電壓PWM軟開關(guān)(PS?FB?ZVS)變換器與移相全橋零電壓零電流PWM軟開關(guān)(PS?FB?ZVZCS)變換器是目前國內(nèi)外電源界研究的熱門課題,并已得到了廣泛的應(yīng)用。在中小功率的場合,功率器件一般選用MOSFET,這是因?yàn)镸OSFET的開關(guān)速度快,可以提高開關(guān)頻率,采用ZVS方式,就可將開關(guān)損耗減小到較為理想的程度[1]。而在高壓大功率的場合,IGBT更為合適。但I(xiàn)GBT的最大的缺點(diǎn)是具有較大的開關(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方案對于IGBT來說并不理想。若采用常規(guī)的移相全橋軟開關(guān)變換器,其優(yōu)點(diǎn)是顯而易見的,即功率開關(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全橋變換器的次級增加了一個(gè)輔助電路,此輔助電路的優(yōu)點(diǎn)在于沒有有損元件和有源開關(guān),且結(jié)構(gòu)簡單。次級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,通過調(diào)節(jié)移相角的大小來調(diào)節(jié)輸出電壓。超前臂開關(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,而滯后臂開關(guān)管是通過輔助電路來實(shí)現(xiàn)零電流導(dǎo)通和關(guān)斷的,由于輸出電感的儲能用來實(shí)現(xiàn)超前臂開關(guān)管的ZVS,所以可以用外接電容來減小開關(guān)損耗。通過對Ch放電,流過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)開關(guān)過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)開關(guān)模態(tài)1[t0,t1]在t0時(shí)刻,開關(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)開關(guān)模態(tài)2[t1,t2]t1時(shí)刻后,開關(guān)管S1和S4繼續(xù)導(dǎo)通,輸入功率傳到了變壓器的次級。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的電壓Vs/n小。

      3)開關(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

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