適合于寬負載條件運行的有限雙極性軟開關DC／DC變換器

　　摘要：研究了一種適合寬負載條件運行的有限雙極性控制方法并配合飽和電感和隔直電容實現(xiàn)ZVZCS PWM的全橋變換器，分析了其工作過程及主開關器件實現(xiàn)ZVZCS的約束條件。最后通過具體的功率實驗.驗證了該控制方法在較寬負載范圍條件下實現(xiàn)軟開關的能力。

　　關鍵詞：有限雙極性控制;零電壓零電流開關;飽和電感;全橋變換器

　　O 引言

　　全橋移相ZVS變換器近年來得到了廣泛關注，在中大功率的通訊電源和電力操作電源中得到廣泛的應用。然而，這種控制方法有以下幾個明顯的缺點。

　　(1)滯后臂開關管在輕載下將失去零電壓開關功能;

　　(2)為了實現(xiàn)滯后臂的ZVS，必須在電路中串聯(lián)電感，這會引起占空比丟失，增人了原邊電流定額;

　　(3)原邊存在較大環(huán)流，增加了系統(tǒng)通態(tài)損耗。

　　為了解決這些問題，人們針對IGBT拖尾電流大的特點義提出了全橋移相ZVZCS變換器。其主要思路是超前臂實現(xiàn)ZVS，滯后臂實現(xiàn)ZCS，從而從根本上解決了原先全橋移相ZVS變換器中滯后臂零電壓開關困難的問題。由于不需要外加電感，占空比丟失問題隨之解決，環(huán)流也大大減小。實現(xiàn)滯后臂的ZCS目前主要有以下幾種辦法。

　　(1)副邊有源箝位的ZVZCS方法，但增加了成本，并由于需要復雜的隔離驅動而降低了可靠性;

　　(2)副邊無源箝位和原邊無源箝位;

　　(3)利用IGBT的反向雪崩擊穿電壓;

　　(4)原邊串聯(lián)飽和電感和隔直阻斷電容。

　　但移相控制本身還有一個難以克服的缺點，即死區(qū)時間不好調整。當負載較重時，由于環(huán)流大，超前臂功率管上并聯(lián)的電容放電較快，因此實現(xiàn)零電壓導通比較容易，但當負載較輕時，超前臂功率管上并聯(lián)的電容放電很慢，超前橋臂的開關管必須延時很長時間才能實現(xiàn)ZVS導通。傳統(tǒng)的移相控制很難調整這個死區(qū)時間。

　　本文研究了一種名為有限雙極性控制的控制方法，配合上面介紹的原邊串聯(lián)飽和電感和隔直電容的ZVZCS PWM全橋拓撲，可以在很寬的負載范圍內實現(xiàn)超前臂的ZVS和滯后臂的ZCS。

　　1 ZVZCS PWM全橋電路有限雙極性控制原理分析

　　l.1 電路拓撲

　　有限雙極性控制ZVZCS PWM全橋電路拓撲如圖1所示。S1～S4共4個功率管(內帶續(xù)流二極管)組成一個全橋電路。其中，S1、S2組成超前橋臂，兩端分別并聯(lián)吸收電容C1、C2、S3、S4組成滯后橋臂;Cb為隔直電容，Ls為飽和電感。

 　　l.2 工作原理

　　改進傳統(tǒng)的移相PWM電路，采用有限雙極性的控制方法，超前臂與滯后臂同時開通，并且在超前臂與滯后臂之間串聯(lián)一個隔直電容Cb以及飽和電感Ls。飽和電感相當于一個開關，有電流的時候電感飽和，相當于短路;沒有電流或電流很小時，有較大電感。利用隔直電容在環(huán)流期間加速環(huán)流衰減，使得滯后臂實現(xiàn)零電流關斷，并且利用飽和電感Ls阻止LC振蕩電流反向(反向電流不足以使飽和電感飽和，其電感值很大);在滯后臂開通時.由于飽和電感處于不飽和狀態(tài)，電流上升慢，實現(xiàn)零電流開通。圖2所示即為全橋有限雙極性控制時序及各主要變量響應圖。其中，vgs1～vgs4為S1～S4管的驅動波形，Uab為ab兩點間電壓，ip為原邊電流。

 　　1.2.1 模態(tài)1——功率傳輸

　　在t0～t1時刻，S1和S4導通，此時電流ip一方面通過變壓器原邊將電能傳輸?shù)截撦d，另一方面給阻斷電容cb充電，Ls處于飽和狀態(tài)，電容Cb電壓線性增加。Ip=I0/n恒定不變。如圖3所示。

 　　1.2. 2 模態(tài)2——超前臂的零電壓關斷

　　超前臂S1于t1時刻關斷，原邊電流ip從S1中轉移到C1、C2支路中，C1充電，C2放電。因為C1電壓不能突變，開始時為零，實現(xiàn)S1的零電壓關斷;飽和電抗器流過電流，尚未退出飽和狀態(tài)，阻抗為零。當Uc2降到零，二極管D2續(xù)流，t2時刻S2上的電壓為零，為以后S2的零電壓開通做好準備。如圖4所示。

　　1.2.3 模態(tài)3——Cb阻斷環(huán)流

　　t2時刻，ip通過S4和D2續(xù)流，阻斷電容Cb的電壓上升到最大Ucpb。飽和電感Ls尚未退出飽和狀態(tài)。由于變壓器原邊的電壓為零，原邊電流小于副邊電流，副邊電感使整流二極管D5～D8均處于正向導通階段，變壓器原、副邊短路。Ucb全部加在變壓器漏感上。在阻斷電容Cb的作用下，原邊電流迅速下降。如圖5所示。

　　1.2.4 模態(tài)4——滯后臂零電壓零電流關斷

　　t3時ip下降為零時，在Ucb作用下ip反向變化，由于Ls退出飽和狀態(tài)，呈現(xiàn)大阻抗，所以阻斷電容電壓不變，S4仍然導通，但是沒有電流流過。t4時滯后臂S4零電壓零電流自然關斷。此叫不對負載傳輸功率。如圖6所示。

　　1.2.5 模態(tài)5——超前臂零電壓零電流開通、滯后臂零電流開通

　　t5時S2、S3同時開通。在導通的瞬間，由于Ls不飽和，其阻抗很大，電流上升速度緩慢。S2、S3處于零電流導通狀態(tài)。且開通時電容C2上的電壓基本等于零，所以超前臂S2實現(xiàn)了ZVZCS。這段時間內，阻斷電容的電壓小變，原邊電流基本等于零，電源電壓加在飽和電感上，經(jīng)一段時間促使其飽和，然后電流再線性增加。

　　t6時刻，原邊電流上升到I0/n，副邊整流二極管D6和D7導通，完成對管間的切換回到模態(tài)l的工作狀態(tài)。如圖7所示。

　　以上是半個周期的工作情況，另一半情況相似。從上面可以看到，滯后臂處于零電流開通和零電流關斷;超前臂零電壓開通，關斷靠并聯(lián)在管子上的電容實現(xiàn)近似零電壓關斷。

　　1.3 全范圍實現(xiàn)ZVS和ZCS的約束條件

　　1.3.1 超前臂實現(xiàn)ZVS的條件

　　(1)超前臂的零電壓關斷

　　由于輸出外并電容的存在，可以控制關斷管的電壓上升速度。電容的容值越大，電壓的上升速度越慢，超前臂的零電壓關斷效果越好。

　　(2)超前臂實現(xiàn)零電壓開通的條件

　　模態(tài)2中C2的放電時間為

　　為了保證超前臂的零電壓開通，兩個超前臂的死區(qū)時問td(即t5一t4)必須滿足

　　td≥tr

　　當輕載時，C2放電需要的時間tr相應增大，但輕載時有限雙極性控制的兩個超前臂的死區(qū)時間也相應增大，從而克服了傳統(tǒng)移相控制死區(qū)不好調整的問題，因此C1、C2可較大，以改善超前臂零電壓關斷效果。

　　1.3.2 滯后臂實現(xiàn)ZCS的條件

　　由于飽和電感的存在，滯后臂開通瞬間，電路中電流上升速度緩慢，可視為零電流開通。ZCS實現(xiàn)的程度主要取決于飽和電感的阻晰時間(即充磁時間)。阻斷時間tm的計算如下?！?/p>

   　式中：N為匝數(shù)：

　　Br為磁芯的飽和磁密：

　　Bs為磁芯的剩余磁密。

　　2 雙環(huán)控制原理及其實現(xiàn)

　　2.1 電壓電流雙環(huán)控制

　　傳統(tǒng)的方法采用電壓模式單閉環(huán)控制，這種控制方法響應較慢，也不能對功率器件進行實時電流限制，為了實現(xiàn)電壓電流可控，平均電流模式采用雙閉環(huán)控制，其內環(huán)控制輸出的平均電流，外環(huán)控制輸出電壓，提高了系統(tǒng)響應速度。

　　2.2 控制電路設計

　　采用集成芯片UC3525外加運放構成平均電流模式控制電路，并用外加邏輯電路的方式形成有限雙極性控制的4路控制信號。如圖8所示。

 　　(1)外環(huán)控制 電壓給定信號與輸出電壓反饋信號經(jīng)運放U1補償比較得Ue，接到UC3525的內部誤差放人器正相輸入端的腳2。當輸出電流超過給定限流值時，D11導通，Ue被箝在給定限流值上。

　　(2)內環(huán)控制 采樣電阻檢測輸出電流，并通過電流檢測放大器得電流反饋信號。接到UC3525的內部誤差放大器反相輸入端的腳1，與Ue進行比較。UC3525的腳9為反饋補償端。

　　(3)有限雙極性控制 UC3525的腳4為同步信號輸出，該信號作為D觸發(fā)器(U3)的時鐘信號，U3的Q端(腳1)和Q端(腳2)即可得到占空比為50%、相位相差180°的兩組脈沖，S11、S12用于控制死區(qū)時間。

　　3 仿真與實驗驗證

　　這種有限雙極性控制的ZVZCS PWM全橋變換器，已應用到一種15KW(300V/50A)電源模塊的設計當中。其主要技術參數(shù)如下。

　　輸入DC 430～650V直流;

　　輸出DC 170～340V：DC0～50A;

　　開關工作頻率20kHz;

　　死區(qū)時間1 μs;

　　隔直電容Cb=4 μF;

　　IGBT并聯(lián)電容C1=C2=22nF;

　　變壓器原副邊匝數(shù)比為15：13;

　　輸出濾波電感0.15mH;

　　輸出濾波電容2200μF。

　　3.l 仿真結果

　　額定功率下超前臂的ZVS波形如圖9所示。

　　滯后臂的ZCS波形如圖10所示。

　　實驗驗證了仿真結果的正確性。

　　3.2 實驗波形

　　當100%負載時，超前臂實現(xiàn)ZVS波形圖如圖11所示(管壓波形100V/div，驅動波形5V/div)。

　　從圖ll可看出，超前臂開通(即驅動信號為高)時，由于之前反并二極管續(xù)流的原因，管壓為零。超前臂關斷時，由于超前管上并聯(lián)電容的原因，管壓上升緩慢，基本實現(xiàn)超前臂ZVS。從圖11中超前臂管壓波形中可明顯看出，由于軟開關的實現(xiàn)，功率管上的電壓尖峰基本消除。

　　滯后臂實現(xiàn)ZCS波形圖如圖12所示。

　　滯后臂開通(即管壓從500V變?yōu)?V)時，由于飽和電感的存在，電流推遲2μs上升，實現(xiàn)零電流開通。而后超前臂關斷，由于隔直電容的存在，電流迅速衰減至零。為滯后臂的零電流關斷提供條件。圖12中，滯后臂ZCS實現(xiàn)十分理想，原邊電流環(huán)流衰減迅速，達到預期效果。

　　l0%負載時，超前臂實現(xiàn)ZVS波形圖如圖13所示。

　　由圖13可以看出，輕載時，原邊電流變小，并聯(lián)電容的充放電速度明顯減緩，反映在圖中即超前臂的管壓的上升下降沿變平緩。但此時超前臂的占空比也相應減小，死區(qū)時間自動加長，為并聯(lián)電容提供了足夠長的放電時間，保證了超前臂的零電壓開通。關斷時，由于并聯(lián)電容充電緩慢的原因，使零電壓關斷的效果更加理想。

　　滯后臂實現(xiàn)ZCS波形圖如圖14所示。

　　輕載時，占空比相應減小，為原邊電流衰減至零提供了充足的時間，保證了滯后臂ZCS的實現(xiàn)。

　　由以上各圖，可明顯看出有限雙極性控制在10%～lOO%負載范圍內超前臂的ZVS和滯后臂的ZCS都實現(xiàn)得十分理想。且從原邊電流ip的波形上可明顯看出原邊環(huán)流衰減十分迅速，保證在較寬的負載范圍內實現(xiàn)高效率，實驗證明整機效率可達94%。

　　4 結語

　　(1)采用有限雙極性控制的方法克服了移相控制死區(qū)調整困難的問題，使得超前臂可以在很寬的負載范圍內實現(xiàn)ZVS。而且C1、C2可選取的范圍較大，大大改善了超前臂零電壓關斷的效果。

　　(2)由于飽和電感的存在，可以在全范圍內實現(xiàn)滯后臂的ZCS。隔直電容用來減小環(huán)流。

　　(3)軟開關的實現(xiàn)，消除了開關管電壓尖峰，降低了開關損耗，可以在較寬的負載范圍內實現(xiàn)高效率。