推挽正激軟開關(guān)電路的實現(xiàn)與比較

1　引言

　　功率變換器的軟開關(guān)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，提高整機效率。應(yīng)用于推挽正激電路[1,2]的軟開關(guān)電路拓撲通常是考慮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)下的軟開關(guān)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ZCS方案[3]；
　　諧振網(wǎng)絡(luò)（b）：增加兩個單向?qū)ǘO管D5、D6，把諧振電感Lr移出主回路，構(gòu)成ZCT方案[4]。
　　諧振網(wǎng)絡(luò)（c）：在變壓器的副邊增加一個輔助繞組和整流橋，與諧振電感、諧振電容組成一個獨立的諧振網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)成變壓器輔助繞組方案[5]。
　　文獻[3-5]對諧振網(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，變壓器輔助繞組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　推挽正激軟開關(guān)諧振網(wǎng)絡(luò)電路拓撲[(a)—(c)]
　　[1]t0-t1：在t0時刻前，S1、S2均關(guān)斷，漏感平均電流Iav[6]在原邊環(huán)流，負載電流通過整流橋[D1—D4]續(xù)流。此時，諧振電感電流和諧振電容電壓為零。t0時刻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，D1、D3電流開始線性上升，D2、D4電流下降。t1時刻，ID1=ID3上升到Io。
　　[2]t1-t4：在此時間段內(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時刻Da反向截止，VCr為2KVin保持不變。t3時刻,開通Sa，和Cr繼續(xù)被打斷的諧振過程。t4時刻，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。此時原邊只有漏感平均電流Iav和勵磁電流在輸入電源—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。（詳細分析見4）
[3]t4-t6：t4時刻開始諧振電容放電提供全部的負載電流，電容電壓為Vcr*（見表1）：t5時刻，可以零電流關(guān)斷S1；t6時刻，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)斷時則不能放至零（詳細分析見4）

表1　不同諧振網(wǎng)絡(luò)方案下t4時刻諧振電容電壓表達式

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

圖2 簡要的工作原理圖

3　軟開關(guān)的實現(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，滿足
VCr≥KVin　?。?）
　　就能實現(xiàn)對副邊整流橋（D1—D4）的箝位，封鎖整流橋，實現(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

　　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ZCS和ZCT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，諧振周期相對開關(guān)周期較小，在Da的作用下，電感電流減至零后反向截止，實質(zhì)為半波諧振工作模式；感值很大時，諧振周期tr>DTs-△Tf,至輔管開通時電感電流還未到零。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：

=

　　　　（5）
　　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，諧振網(wǎng)絡(luò)環(huán)流和損耗較小。
　　為使諧振網(wǎng)絡(luò)在主功率管開通時間內(nèi)儲存能量，輻管實現(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時間內(nèi)，LC網(wǎng)絡(luò)諧振，使得諧振結(jié)束時VCr達到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的選取由放電時間和輸出負載決定。當(dāng)主管關(guān)斷時必須滿足公式（1）則：

　　　 （6）
　　為保證軟開關(guān)的實現(xiàn)，須滿足：

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

　　　　　 （8）
　　與此同時，當(dāng)輔管關(guān)斷時，Cr上的電壓要能放至零,保證輔管實現(xiàn)零電壓/零電流關(guān)斷。放電時間（即輔管導(dǎo)通時間為Tf）：

　　　　　　　　（9）
　　且　　　　　　　　?。?0）
　　則得：?。?1）
　　又因為由公式（4）可知：

　　　　　　　　 （12）
　　且　　　　　　　?。?3）
　　　　　　　　　　　 （14）
　　通常取　　　　　　　?。?5）
　　當(dāng)D=Dmax時式（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，將（2）式代入上式，可得：滿足式（10）。
　?、買0過小即輕載時，假設(shè)Tf、Cr不變由（9）（10）可知：當(dāng)時，電容電壓不能放至零。
　　②Cr太大，I0一定時，為滿足式（17）Tf就要延長時，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，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

　　A、諧振網(wǎng)絡(luò)（a）構(gòu)成的ZCS方案：
　　拓撲簡潔，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ZCT方案：
　　拓撲較簡潔，Lr實現(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，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)通時上升平緩，導(dǎo)通時的電流應(yīng)力大為減?。坏妷簯?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)勢在于可以通過改變變壓器匝比，調(diào)節(jié)諧振參數(shù)來達到減小電壓應(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，拓撲也比較復(fù)雜。

5　實驗結(jié)果

　　根據(jù)以上分析設(shè)計了三套軟開關(guān)諧振網(wǎng)絡(luò)并研制了一臺24—30V輸入/76V輸出的1KW原理樣機。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輸入下的實驗波形。從實驗波形可看出：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)拓撲結(jié)構(gòu)下的效率對比曲線：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?。徊捎肸CT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，同時又增加了變壓器的銅耗，實驗效率較低。

表2 不同諧振網(wǎng)絡(luò)軟開關(guān)電路拓撲性能參數(shù)表

圖3　ZCT臨界諧振工作模式下的實驗波形

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

6　結(jié)論

　　通過理論分析、實驗驗證可以得出如下結(jié)論：
　　1、ZCS方案實質(zhì)上是ZCT方案在TrTs下的一個特殊情形；
　　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，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、實驗對比可以發(fā)現(xiàn)： ZCT方案較具有吸引力，其拓撲簡潔，實現(xiàn)容易且滿載下效率較高，為91.47%。

參考文獻

[1]P. Xu, M. Ye, X. Jia, P. Wong and F. C. Lee, “The integrated-Filter Push-pull Forward Converter　for 48V Input Voltage Regulator Modules”,CPES Seminar Proc., April 2001, pp257-264 .
[2]Xunwei Zhou, Bo Yang, Luca Amoroso, et al “A Novel High-input-voltage, High Efficiency and Fast Transient Voltage Regulator Module: The Push-pull Forward Converter”[C].IEEE APEC, 1999,pp 487-492.
[3] 張方華，王慧貞，嚴(yán)仰光，正激推挽電路的ZCS方案[J].電力電子技術(shù)2003.2，37（2）： 60～62.
[4]Zhang Fanghua , Wang Huizhen, Yan Yangguang “ZCT Scheme of Push-Pull Forward Converter” [J].Journal of SouthEast University(English Edition),VOL.18 No.4 DEC.2002：331～335.
[5Jung G.cho, Ju W.Baek, D.W.Yoo, HongS.Lee, and Geun H.Rim,“Novel Zero-Voltage and Zero-Current-switching (ZVZCS) Full Bridge PWM Converter Using Transformer Auxiliary Winding”, IEEE PESC Rec.1997,pp 227-232.
[6]張方華，王慧貞，嚴(yán)仰光，新穎正激推挽電路的研究及工程實現(xiàn)[J].南京航空航天大學(xué)學(xué)報，2002，34（5）：451～455