上述分析可以看出,若要实现软开关,就不能存在上升跳变。所以方案图3(d)不能实现软开关。
3.3 最佳开关方式
下面再分析当vA和vB电压波形不一致的情况。
由于已经知道图3(d)所示的vCD波形是满足前两个条件的最佳方案,下面就看采取什么样的开关方式能在开关管实现软开关的同时得到图3(d)所示的vCD波形。前面提到,若要实现开关管软开关,不能存在上升跳变。加入这个条件后若要得到理想的vCD波形,vAB波形只能有1种选择,如图4所示。而若要得到该波形,又要考虑条件(1),vA和vB电压在同电平上不能有交叠,同时为了变换器可靠工作vA和vB电压波形自身要正负对称,这样vA和vB电压波形也只有1种情况,而无其它方案可供选择。
既然图4所示的方案最佳,就要找出能够实现它的开关方式。在上文已经讨论了A、B两点分别得到3种电平的开关方式,其中 +Vin/2和 -Vin/2没有任何问题,而当ip方向为正时0电平的获取途径仅指出Q2导通,Q1、Q3截止,并没有规定Q4的状况,也就是说Q4导通或截止均可以;同样当ip方向为负时,0电平的获取途径仅指出Q3导通,Q2、Q4截止,并没有规定Q1的状况,也就是说Q1导通或截止均可以。这给调整开关方式提供了条件。
图4中vB波形中 +Vin/2和 -Vin/2交替出现,没有0电平持续时间,所以它没有任何调整余地。vA波形出现了0电平持续过程,此时可以调节Q1和Q4的导通和关断,实现开关管的软开关。
基本的开关方式如图5所示,图中阴影部分除外。在此基础上由于Q1和Q4的导通和关断对vA的0电平没有影响,所以可以把Q1和Q4的导通时间分别提前到[t1, t2]和[t3, t4]的任意时刻,如图中阴影部分所示。这样就得到了一族最佳开关方式。
在这一族开关方式中Q2、Q7、Q8的导通和关断时间以及Q3、Q5、Q6的导通和关断时间相同,并且其关断时间比Q1和Q4滞后,由此称先关断的Q1、Q4为超前管,后关断的6只开关管为滞后管。
3.4 变换器在最佳开关方式下的特征
(1)脉宽调制
如图4所示,在最佳开关方式下vCD波形中出现两种电平,分别对应vAB波形中的±Vin和±Vin/2。若想对vCD进行脉宽调制,需要对vAB进行脉宽调制;由于vB波形在最佳开关方式下是不可调的,所以对vAB进行脉宽调制只能是对vA进行脉宽调制。可调节的范围为vA的占空比从0到1,对应了图5中Q1的关断时间t1从t0变化到t2以及Q4的关断时间t3从t2变化到t4。相应的输出电压Vo的变化范围为从Vin/2K到Vin/K,其中K为变压器原副边匝比。
(2)软开关类型
首先关断的是超前管。超前管关断后变压器需要继续向副边传递能量,因此变压器原边电流不可能下降到零,也就是说超前管只能实现ZVS;并且超前管实现ZVS的能量主要来自滤波电感,由于滤波电感很大,超前管也容易实现ZVS。
然后关断的是滞后管。若要滞后管实现ZCS,原边电流必须下降到零并且要保持一段时间以便于滞后管关断,若为电路可靠工作设计,原边电流保持为零需要较长的时间,这样的话得到的vCD波形已非最佳;滞后管若要实现ZVS,仅靠漏感的能量难以达到,需要加入谐振电感来协助实现ZVS。如图1(d)虚线所示:断开A、E两点,加入谐振电感Lr,由于Lr与整流二极管结电容会产生寄生振荡,因此加入二极管Dc1、Dc2来消除。
所以全桥三电平直流变换器在最佳开关方式下只有ZVS一种软开关类型。
(3)ZVS的实现
1)超前管
如图1和图5,t1时刻以前,Q1、Q2、Q7、Q8导通,在t1时刻关断Q1。考虑暂态过程,电流ip对C1充电的同时通过CSS1对C4放电,充放电电流相等。由于C1和C4,Q1电压缓慢上升,可近似为零电压关断。当C1电压升到Vin/2时,C4电压降到零,此时可以零电压开通Q4,从而实现超前管的零电压开通。Q4关断Q1开通时的情况与之类似。
2)滞后管
在t2时刻关断Q2、Q7、Q8,考虑暂态过程,变压器绕组电压先降到零,4只整流二极管同时导通,电流ip对C2、C7、C8充电、对C3、C5、C6
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