適合于寬負(fù)載條件運(yùn)行的有限雙極性軟開關(guān)DC／DC變換器

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

　　關(guān)鍵詞：有限雙極性控制;零電壓零電流開關(guān);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(guān)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(yīng)用。然而，這種控制方法有以下幾個(gè)明顯的缺點(diǎn)。

　　(1)滯后臂開關(guān)管在輕載下將失去零電壓開關(guān)功能;

　　(2)為了實(shí)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(diǎn)義提出了全橋移相ZVZCS變換器。其主要思路是超前臂實(shí)現(xiàn)ZVS，滯后臂實(shí)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(guān)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(shí)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(fù)雜的隔離驅(qū)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(gè)難以克服的缺點(diǎn)，即死區(qū)時(shí)間不好調(diào)整。當(dāng)負(fù)載較重時(shí)，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(shí)現(xiàn)零電壓導(dǎo)通比較容易，但當(dāng)負(fù)載較輕時(shí)，超前臂功率管上并聯(lián)的電容放電很慢，超前橋臂的開關(guān)管必須延時(shí)很長時(shí)間才能實(shí)現(xiàn)ZVS導(dǎo)通。傳統(tǒng)的移相控制很難調(diào)整這個(gè)死區(qū)時(shí)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?fù)?，可以在很寬的?fù)載范圍內(nèi)實(shí)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?fù)?/p>

　　有限雙極性控制ZVZCS PWM全橋電路拓?fù)淙鐖D1所示。S1～S4共4個(gè)功率管(內(nèi)帶續(xù)流二極管)組成一個(gè)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(jìn)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(shí)開通，并且在超前臂與滯后臂之間串聯(lián)一個(gè)隔直電容Cb以及飽和電感Ls。飽和電感相當(dāng)于一個(gè)開關(guān)，有電流的時(shí)候電感飽和，相當(dāng)于短路;沒有電流或電流很小時(shí)，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(shí)現(xiàn)零電流關(guān)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(shí).由于飽和電感處于不飽和狀態(tài)，電流上升慢，實(shí)現(xiàn)零電流開通。圖2所示即為全橋有限雙極性控制時(shí)序及各主要變量響應(yīng)圖。其中，vgs1～vgs4為S1～S4管的驅(qū)動波形，Uab為ab兩點(diǎn)間電壓，ip為原邊電流。

 　　1.2.1 模態(tài)1——功率傳輸

　　在t0～t1時(shí)刻，S1和S4導(dǎo)通，此時(shí)電流ip一方面通過變壓器原邊將電能傳輸?shù)截?fù)載，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(guān)斷

　　超前臂S1于t1時(shí)刻關(guān)斷，原邊電流ip從S1中轉(zhuǎn)移到C1、C2支路中，C1充電，C2放電。因?yàn)镃1電壓不能突變，開始時(shí)為零，實(shí)現(xiàn)S1的零電壓關(guān)斷;飽和電抗器流過電流，尚未退出飽和狀態(tài)，阻抗為零。當(dāng)Uc2降到零，二極管D2續(xù)流，t2時(shí)刻S2上的電壓為零，為以后S2的零電壓開通做好準(zhǔn)備。如圖4所示。

　　1.2.3 模態(tài)3——Cb阻斷環(huán)流

　　t2時(shí)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?qū)A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(guān)斷

　　t3時(shí)ip下降為零時(shí)，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(dǎo)通，但是沒有電流流過。t4時(shí)滯后臂S4零電壓零電流自然關(guān)斷。此叫不對負(fù)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(shí)S2、S3同時(shí)開通。在導(dǎo)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(dǎo)通狀態(tài)。且開通時(shí)電容C2上的電壓基本等于零，所以超前臂S2實(shí)現(xiàn)了ZVZCS。這段時(shí)間內(nèi)，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(shí)間促使其飽和，然后電流再線性增加。

　　t6時(shí)刻，原邊電流上升到I0/n，副邊整流二極管D6和D7導(dǎo)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(gè)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(guān)斷;超前臂零電壓開通，關(guān)斷靠并聯(lián)在管子上的電容實(shí)現(xiàn)近似零電壓關(guān)斷。

　　1.3 全范圍實(shí)現(xiàn)ZVS和ZCS的約束條件

　　1.3.1 超前臂實(shí)現(xiàn)ZVS的條件

　　(1)超前臂的零電壓關(guān)斷

　　由于輸出外并電容的存在，可以控制關(guān)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(guān)斷效果越好。

　　(2)超前臂實(shí)現(xiàn)零電壓開通的條件

　　模態(tài)2中C2的放電時(shí)間為

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

　　td≥tr

　　當(dāng)輕載時(shí)，C2放電需要的時(shí)間tr相應(yīng)增大，但輕載時(shí)有限雙極性控制的兩個(gè)超前臂的死區(qū)時(shí)間也相應(yīng)增大，從而克服了傳統(tǒng)移相控制死區(qū)不好調(diào)整的問題，因此C1、C2可較大，以改善超前臂零電壓關(guān)斷效果。

　　1.3.2 滯后臂實(shí)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(shí)現(xiàn)的程度主要取決于飽和電感的阻晰時(shí)間(即充磁時(shí)間)。阻斷時(shí)間tm的計(jì)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(shí)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(yīng)較慢，也不能對功率器件進(jìn)行實(shí)時(shí)電流限制，為了實(shí)現(xiàn)電壓電流可控，平均電流模式采用雙閉環(huán)控制，其內(nèi)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(yīng)速度。

　　2.2 控制電路設(shè)計(jì)

　　采用集成芯片UC3525外加運(yùn)放構(gòu)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(yùn)放U1補(bǔ)償比較得Ue，接到UC3525的內(nèi)部誤差放人器正相輸入端的腳2。當(dāng)輸出電流超過給定限流值時(shí)，D11導(dǎo)通，Ue被箝在給定限流值上。

　　(2)內(nèi)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(nèi)部誤差放大器反相輸入端的腳1，與Ue進(jìn)行比較。UC3525的腳9為反饋補(bǔ)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(shí)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(shí)間。

　　3 仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

　　這種有限雙極性控制的ZVZCS PWM全橋變換器，已應(yīng)用到一種15KW(300V/50A)電源模塊的設(shè)計(jì)當(dāng)中。其主要技術(shù)參數(shù)如下。

　　輸入DC 430～650V直流;

　　輸出DC 170～340V：DC0～50A;

　　開關(guān)工作頻率20kHz;

　　死區(qū)時(shí)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(jié)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了仿真結(jié)果的正確性。

　　3.2 實(shí)驗(yàn)波形

　　當(dāng)100%負(fù)載時(shí)，超前臂實(shí)現(xiàn)ZVS波形圖如圖11所示(管壓波形100V/div，驅(qū)動波形5V/div)。

　　從圖ll可看出，超前臂開通(即驅(qū)動信號為高)時(shí)，由于之前反并二極管續(xù)流的原因，管壓為零。超前臂關(guān)斷時(shí)，由于超前管上并聯(lián)電容的原因，管壓上升緩慢，基本實(shí)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(guān)的實(shí)現(xiàn)，功率管上的電壓尖峰基本消除。

　　滯后臂實(shí)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(shí)，由于飽和電感的存在，電流推遲2μs上升，實(shí)現(xiàn)零電流開通。而后超前臂關(guān)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(guān)斷提供條件。圖12中，滯后臂ZCS實(shí)現(xiàn)十分理想，原邊電流環(huán)流衰減迅速，達(dá)到預(yù)期效果。

　　l0%負(fù)載時(shí)，超前臂實(shí)現(xiàn)ZVS波形圖如圖13所示。

　　由圖13可以看出，輕載時(shí)，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(shí)超前臂的占空比也相應(yīng)減小，死區(qū)時(shí)間自動加長，為并聯(lián)電容提供了足夠長的放電時(shí)間，保證了超前臂的零電壓開通。關(guān)斷時(shí)，由于并聯(lián)電容充電緩慢的原因，使零電壓關(guān)斷的效果更加理想。

　　滯后臂實(shí)現(xiàn)ZCS波形圖如圖14所示。

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

　　由以上各圖，可明顯看出有限雙極性控制在10%～lOO%負(fù)載范圍內(nèi)超前臂的ZVS和滯后臂的ZCS都實(shí)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(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高效率，實(shí)驗(yàn)證明整機(jī)效率可達(dá)94%。

　　4 結(jié)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(diào)整困難的問題，使得超前臂可以在很寬的負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)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(guān)斷的效果。

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

　　(3)軟開關(guān)的實(shí)現(xiàn)，消除了開關(guān)管電壓尖峰，降低了開關(guān)損耗，可以在較寬的負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高效率。