小電流紋波的ZVZCS全橋PWM變換器研究

摘要：為了減小輸出電流的紋波，在傳統(tǒng)的全橋移相零電壓零電流(ZVZCS)-PWM變換器的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種優(yōu)化的變換器。通過(guò)在次級(jí)引入一個(gè)輔助電路，既能使超前臂實(shí)現(xiàn)ZVS，滯后臂實(shí)現(xiàn)ZCS，又能減小輸出電流紋波。輔助電路中無(wú)損耗元件和有源開關(guān)，能克服傳統(tǒng)變換器的缺點(diǎn)。該電路具有高效率，低損耗，小電流紋波和能帶大功率負(fù)載的優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)電路特征和設(shè)計(jì)要求，選擇采用2．5 kW，100 kHz的IGBT作為基本元件研制了一臺(tái)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，并驗(yàn)證了該理論的正確性。
關(guān)鍵詞：變換器；零電壓零電流開關(guān)；電流紋波；移相全橋

1 引言
為了在高頻電路中使用IGBT，提出了ZVZCS全橋PWM變換器。ZVZCS由超前臂和滯后臂構(gòu)成，超前臂實(shí)現(xiàn)了ZVS，滯后臂實(shí)現(xiàn)了ZCS。針對(duì)電流紋波會(huì)帶來(lái)很多弊端的問(wèn)題，通過(guò)在變壓器次級(jí)引入一個(gè)輔助電路，不但滿足了ZVZCS的初始條件，還減小了電流紋波。為了能更好地實(shí)現(xiàn)zCS，采用在滯后臂串聯(lián)二極管的方法。優(yōu)化電路的優(yōu)點(diǎn)是沒(méi)有有損元件和外部電源，可減小能量的消耗并保證系統(tǒng)總的工作效率。此外，沒(méi)有大的能量流通且無(wú)二次寄生響應(yīng)生成。

2 工作原理與設(shè)計(jì)
圖1示出優(yōu)化電路的拓?fù)?。該拓?fù)湓趥鹘y(tǒng)變換器的基礎(chǔ)上加了一個(gè)輔助電路并在滯后臂串聯(lián)二極管來(lái)實(shí)現(xiàn)其功能。假設(shè)除特別指定元件，所有電阻、電感、電容和變壓器均為理想元件。

該電路在半個(gè)周期內(nèi)共有8個(gè)工作狀態(tài)，其工作原理簡(jiǎn)述如下：
[t0～t1]階段 t0之前，VS2零電流開通。t0時(shí)刻，VS1和VS2導(dǎo)通，箝位電容Cc上的電壓uCc由于漏感的諧振從零開始增大。由耦合電感、Cc和二極管VDb組成的回路可保持對(duì)Cc持續(xù)充電，所以使得uCc=2uLo。加大uCc能更有效地加快初級(jí)電流ip的下降速度，并起到箝位電壓的作用。Cr使得次級(jí)整流二極管上漏感和節(jié)點(diǎn)電容沒(méi)有產(chǎn)生寄生響應(yīng)。初級(jí)電壓uab、電流ip，次級(jí)電壓uCc、電流iC分別為：

[t1～t2]階段 uCc保持是Lo兩端電壓的兩倍。uab和ip保持不變，uab(t)=Uin，ip(t)=nIo。
[t2～t3]階段 VS1關(guān)斷，ip對(duì)C1充電，C3放電。uab減小，uCc按照n2／n1比率下降。uab線性下降，uab(t)=Uin-nIot／(C1+C3)，ip(t)=nIo。
[t3～t4]階段 當(dāng)整流電壓等于uCc時(shí)，VDc導(dǎo)通，Cc維持整流電壓，整流側(cè)電壓減小速度比初級(jí)慢。LIK儲(chǔ)存的能量保持C1充電，C3放電(設(shè)Cc>>C1，C3)，故uab仍按照原始速率減小。該模式結(jié)束時(shí)，ip和uCc定義為iα，uα。
[t4～t5]階段 C3放電結(jié)束，二極管VD3導(dǎo)通，然后VS3開通，此時(shí)實(shí)現(xiàn)了ZVS。次級(jí)漏感電流和ip迅速下降，Cc提供能量。ip降至零時(shí)，整流側(cè)電壓定義為μβ。

[t5～t6]階段 ip被重置，整個(gè)初級(jí)側(cè)電路沒(méi)有電流流過(guò)。Cc提供整個(gè)電路的電流，因此整流電壓下降得很快。uCc(t)=-Iot／Cc+uβ。
[t6～t7]階段 VD2阻斷了ip反向環(huán)流，使得ip保持為零，這為滯后臂實(shí)現(xiàn)ZCS提供了十分必要的先決條件。Cc放電完畢，整流二極管全部導(dǎo)通，Lo提供整個(gè)回路的能量。該周期結(jié)束，VS2關(guān)斷，完成ZCS過(guò)程。
[t7～t8]階段 經(jīng)VS2，VS4死區(qū)時(shí)間后，VS4實(shí)現(xiàn)ZCS，這是因?yàn)槁└邢拗屏薸p上升速度，令其不能突變。ip線性增加，整流電壓為零。這是上半個(gè)工作周期，后半個(gè)工作周期與之相似。