移相橋滯后橋臂實(shí)現(xiàn)零點(diǎn)壓關(guān)斷困難的解決方法綜述

1．引言

　　全橋變換器（Full-Bridge converter）通常應(yīng)用于功率大于400W的開(kāi)關(guān)電源中，特別是在通信電源這種大功率的電源中應(yīng)用比較廣泛。但是硬開(kāi)關(guān)條件下的全橋變換器會(huì)引來(lái)很大的開(kāi)關(guān)損耗，不利于開(kāi)關(guān)管的頻率和電源轉(zhuǎn)換效率的提高。針對(duì)硬開(kāi)關(guān)大損耗問(wèn)題，有人提出了移相控制方法。通過(guò)移相控制可以實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管的零電壓開(kāi)通和關(guān)斷，從而可以大大改善開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通關(guān)斷條件，這樣可以提高開(kāi)關(guān)的頻率，減少電源的體積，提高電源的轉(zhuǎn)換效率。移相橋全橋變換器如圖1所示。要實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管的零點(diǎn)壓開(kāi)通，必須要有足夠的能量來(lái)抽走將要開(kāi)通的開(kāi)關(guān)管的結(jié)電容（或外部附加電容）上的電荷和給同一橋臂關(guān)斷的開(kāi)關(guān)管的結(jié)電容（或外部附加電容）充電；同時(shí)，考慮到變壓器的原邊繞組電容，還要有一部分能量用來(lái)抽走變壓器原邊繞組寄生電容上的電荷；

　　由于超前橋臂在開(kāi)關(guān)過(guò)程中有輸出電流的參與，因此很容易實(shí)現(xiàn)ZVS。在后橋臂在開(kāi)關(guān)過(guò)程中，變壓器原邊是短路的，此時(shí)整個(gè)變換器就被分成兩部分，一部分是原邊電流逐漸改變流通方向，其流通路徑由逆變橋提供；另一部分是負(fù)載電流由整流橋提供續(xù)流回路。負(fù)載側(cè)與變壓器原邊沒(méi)有關(guān)系。此時(shí)用來(lái)實(shí)現(xiàn)ZVS的能量只是諧振電感（漏感和附加諧振電感）中的能量。而諧振電感很小，因此滯后橋臂開(kāi)關(guān)管實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)通比較困難。

圖1 傳統(tǒng)零電壓開(kāi)關(guān)的移相全橋電路


2．非拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)性改變的解決方法
　　
　　由上面分析可知，滯后橋臂的開(kāi)關(guān)動(dòng)作由于產(chǎn)生在回流過(guò)程向能量傳送過(guò)程的轉(zhuǎn)化階段，輸出電感電流不能反饋到原邊，滯后橋臂的開(kāi)關(guān)管并聯(lián)電容只能依靠變壓器原邊的諧振電感進(jìn)行充放電，由于諧振電感中存儲(chǔ)的能量很小，使得滯后橋臂開(kāi)關(guān)管實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)通變得很難,特別是在低負(fù)載的時(shí)候這種現(xiàn)象更為明顯。要實(shí)現(xiàn)滯后橋臂的ZVS，必須，我們從公式中可以看出，要滿足它，就必須增加諧振電感Lr和增加電流I2。這樣就有兩種非拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)性改變的方法[1]來(lái)解決滯后橋臂開(kāi)關(guān)管零電壓開(kāi)通難的問(wèn)題：增加勵(lì)磁電流和增加諧振電感，但是前者會(huì)增加變壓器的損耗，而增加諧振電感又將引起副邊占空比的丟失，為了更容易實(shí)現(xiàn)滯后橋臂的開(kāi)關(guān)管零電壓開(kāi)通，又不會(huì)增加開(kāi)通損耗，降低占空比的損失，近來(lái)一些新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)被提出。


3．滯后橋臂并聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)的零電壓開(kāi)關(guān)的移相全橋

　　為了克服滯后橋臂實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)關(guān)難的不足，同時(shí)又不會(huì)引起占空比的丟失和開(kāi)通損耗的增大，[2]提出了一種在滯后橋臂并聯(lián)一個(gè)諧振電感和兩個(gè)諧振開(kāi)關(guān)。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖2所示。開(kāi)關(guān)的控制策略如圖3所示。本拓?fù)湓诎雮€(gè)周期內(nèi)有六個(gè)工作模態(tài)：

　　模態(tài)一：S1，S2同時(shí)導(dǎo)通，濾波電感電流線性增加。

　　模態(tài)二：S1關(guān)斷，原邊電流抽取S3并聯(lián)電容上的電荷，同時(shí)對(duì)S1并聯(lián)電容充電，在充放電完畢，D3導(dǎo)通。由于輸出電電感很大，因此流過(guò)濾波電感上的電流可以看作為一個(gè)恒流源。

　　模態(tài)三：在D3導(dǎo)通后，就可以零電壓開(kāi)通S3。此時(shí)，源邊電壓變?yōu)榱?，副邊電壓也同時(shí)變?yōu)榱?，四個(gè)整流二極管同時(shí)導(dǎo)通，以維持輸出濾波電感電流。

　　模態(tài)四：關(guān)斷S2，利用存儲(chǔ)在漏感上的能量抽取C4上的電荷，并給C2充電，當(dāng)漏感很小，存儲(chǔ)在漏感中的能量不足以抽取C4上的電荷，并給C2充電時(shí)，D4就不會(huì)導(dǎo)通，那么S4就不能零電壓開(kāi)通。為了使S4實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)通，在關(guān)斷S2前先開(kāi)通Sa來(lái)建立諧振電流。

　　模態(tài)五：當(dāng)諧振電流建立到足夠大時(shí)，同時(shí)關(guān)斷S2，Sa,這樣有諧振電感和漏感上的能量一同提供充放電所需的能量，使得S4實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)通。

　　模態(tài)六：當(dāng)D4導(dǎo)通，就可以在零電壓條件下開(kāi)通S4，輸出電流反饋到原邊流過(guò)S3，S4。在諧振電感上的能量經(jīng)過(guò)S4，Db回饋到電源。

　　后半個(gè)周期工作狀態(tài)跟前半個(gè)周期一樣。

　　本電路的優(yōu)點(diǎn)是：（1）滯后橋臂能夠成功實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)通關(guān)斷。（2）開(kāi)關(guān)的開(kāi)通損耗比較低。（3）占空臂損失比較小。本電路中，諧振電感的設(shè)計(jì)比較重要，如果諧振電感選擇的過(guò)大，那么就容易引起不必要的開(kāi)通損耗，如果過(guò)小，那么又不能夠使滯后橋臂實(shí)現(xiàn)零電壓關(guān)斷。諧振開(kāi)關(guān)的開(kāi)通時(shí)間也要合理選擇，才能在實(shí)現(xiàn)滯后橋臂的零電壓關(guān)斷的條件下又不引起過(guò)多損耗。

圖 2 滯后橋臂并聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)的零電壓開(kāi)關(guān)的移相全橋 圖 3滯后橋臂并聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)變換器的控制策略

　　上面電路的主要缺點(diǎn)是在負(fù)載比較小的時(shí)候，實(shí)現(xiàn)超前橋臂的零電壓關(guān)斷比較困難，電路中增加兩個(gè)諧振開(kāi)關(guān)，電路成本增大，控制電路比較復(fù)雜。而且諧振電路的開(kāi)關(guān)是硬開(kāi)關(guān)關(guān)斷，將會(huì)產(chǎn)生額外損耗。還有個(gè)缺點(diǎn)是由于兩個(gè)諧振電路都是與同一個(gè)橋臂兩個(gè)開(kāi)關(guān)管并聯(lián)，使得電路阻尼震蕩加劇。


4．一種新的并聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)的零電壓開(kāi)關(guān)的移相全橋

圖 4　一種新的并聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)的零電壓開(kāi)關(guān)的移相全橋

　　[3]中也提出了并聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)的方法，如圖4所示。該方法不像前面那樣與滯后橋臂兩管并聯(lián)，而是并聯(lián)在兩個(gè)橋臂的下管上，這樣需調(diào)整一下控制方法，其控制策略如圖5所示：S2,S4的開(kāi)通時(shí)間長(zhǎng)為DTsw/2,而S1,S3的開(kāi)通時(shí)間為（1-D）Tsw/2，占空比的調(diào)節(jié)不需要移相，只要調(diào)整S2,S4的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的寬度就可以實(shí)現(xiàn)。由于S1,S3的開(kāi)通處于能量傳送過(guò)程，其并聯(lián)電容上的電荷能夠在他們開(kāi)通前由原邊漏感電流和副邊耦合過(guò)來(lái)的電流抽掉，他們能夠?qū)崿F(xiàn)零電壓開(kāi)通，但S2,S4處于換流階段，存儲(chǔ)在漏感上的電流不足以使S4或S2的并聯(lián)電容的電壓降到零，這樣需要借助諧振電路。在S2（S4）導(dǎo)通前，打開(kāi)諧振開(kāi)關(guān)Sa1（Sa2），在諧振電感上建立諧振電流，當(dāng)S1（S3）關(guān)斷時(shí)，就可以參與橋臂并聯(lián)電容的沖放電。這樣電路中的四個(gè)開(kāi)關(guān)管可以全部實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)通。在該電路中，諧振支路與主開(kāi)關(guān)管并聯(lián)，可以實(shí)現(xiàn)任意較寬負(fù)載的零電壓開(kāi)關(guān)。由于可以減少漏感，從而減少了占空比的損失。有源輔助電路種類(lèi)的增加，使得選擇最合適的電路使設(shè)計(jì)達(dá)到要求成為可能。

圖 5 新的并聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)的零電壓開(kāi)關(guān)的移相全橋控制策略


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