摘要:提出了一种新颖的零电流零电压开关(ZCZVS)PWM全桥变换器,通过增加一个辅助电路的方法实现了变换器的软开关。与以往的ZCZVSPWM全桥变换器相比,所提出的新颖变换器具有电路结构简单、整机效率高以及电流环自适应调整等优点,这使得它特别适合高压大功率的应用场合。详细分析了该变换器的工作原理及电路设计,并在一台功率为4kW,工作频率为80kHz的通信用开关电源装置上得到了实验验证。
关键词:全桥变换器;零电压开关;零电流开关;软开关;脉宽调制
0 引言
移相全桥零电压PWM软开关(PS-FB-ZVS)变换器与移相全桥零电压零电流PWM软开关(PS-FB-ZVZCS)变换器是目前国内外电源界研究的热门课题,并已得到了广泛的应用。在中小功率的场合,功率器件一般选用MOSFET,这是因为MOSFET的开关速度快,可以提高开关频率,采用ZVS方式,就可将开关损耗减小到较为理想的程度[1]。而在高压大功率的场合,IGBT更为合适。但IGBT的最大的缺点是具有较大的开关损耗,尤其是由于IGBT的“拖尾电流”特性,使得它即使工作在零电压情况下,关断损耗仍然较大,要想在ZVS方式下减少关断损耗,则必须加大IGBT的并联电容。然而由于轻载时ZVS很难实现(滞后臂的ZVS更难实现),因此ZVS方案对于IGBT来说并不理想。若采用常规的移相全桥软开关变换器,其优点是显而易见的,即功率开关器件电压、电流额定值小,功率变压器利用率高等,但是它们却也存在着各种各样的缺点:有的难以适用于大功率场合;有的要求很小的漏感;有的电路较为复杂且成本很高[2][3][4][5][6]。
本文提出了一种新颖的ZVZCS PWM全桥变换器,它能有效地改进以往所提出的ZVZCS PWM全桥变换器的不足。这种变换器是在常规零电压PWM全桥变换器的次级增加了一个辅助电路,此辅助电路的优点在于没有有损元件和有源开关,且结构简单。次级整流二极管的电压应力与传统PWM全桥变换器相等,而ZCS具有最小的环路电流值。电流环能够根据负载的变化情况自动进行调整,从而保证了负载在较大范围内变化时变换器同样具有较高的效率。
1 工作原理
该ZVZCS PWM全桥变换器主电路如图1所示。它是在传统的零电压PWM全桥变换器的次级增加了一个辅助电路,同时,该变换器还采用了移相控制方式。在图1中,S1和S3分别超前于S4和S2一个相位,称S1和S3组成的桥臂为超前臂,S2和S4组成的桥臂为滞后臂。C1和C3分别是S1和S3的外接电容。Lr是谐振电感,它包括了变压器的漏感。每个桥臂的两个功率管成180°互补导通,两个桥臂的导通角相差一个相位,即移相角,通过调节移相角的大小来调节输出电压。超前臂开关管实现零电压导通和关断的工作原理与ZVSPWM全桥变换器相同,而滞后臂开关管是通过辅助电路来实现零电流导通和关断的,由于输出电感的储能用来实现超前臂开关管的ZVS,所以可以用外接电容来减小开关损耗。通过对Ch放电,流过变压器的原边电流在谐振周期内减小到零,从而实现了滞后桥臂的ZCS。
图1 新 颖ZVZCS PWM全 桥 变 换 器 主 电 路 图
为了便于分析变换器的稳定工作状态,而作如下假设:
——所有开关管、二极管、电容、电感均为理想元器件;
——输出滤波电感Lf足够大,在一个开关过程中可以等效为一个恒流源。
在半个工作周期内,变换器有8种开关模态。因为,电流环能够根据负载的变化而作相应的调整,所以,这些开关模态在负载较轻的情况下变化很小。
1.1 变换器在满载条件下工作
假定变换器工作在满载条件下,其各个模态的等效电路及主要波形图如图2和图3所示。
(a) 模 态1[t0,t1] (b) 模 态2[t1,t2] (c) 模 态3[t2,t3]
(d) 模 态4[t3,t4] (e) 模 态5[t4,t5] (f) 模 态6[t5,t6]
(g) 模 态7[t6,t7] (h) 模 态8[t7,t8]
图2 各 个 开 关 模 态 的 等 效 电 路
图3 主 要 波 形 图
1)开关模态1[t0,t1] 在t0时刻,开关管S1及S4导通,输入电压Vs加到了变压器的漏感Lr上,原边电流ip从零开始线性增加,在t1时刻,电流ip增加到与输出电感电流值相等。电流ip的变化式如式(1)所示。
ip(t)=(Vs/Lr)t(1)
2)开关模态2[t1,t2] t1时刻后,开关管S1和S4继续导通,输入功率传到了变压器的次级。辅助线圈的漏感Llks与吸持电容Ch产生谐振,给Ch充电,Ch上的电压及电流可由式(2)及式(3)得到。
vch(t)=[1-cos(ωst)](2)
ich=-sin(ωst)(3)
VH=(4)
式中:ωs=;
n=N1/N2;
m=N3/N4。
在t2时刻,Ch上的电压达到最大值VH,同时电流减小为零。为了防止二极管Dd在该工作模态下导通,Ch的最大电压值VH应当设计得比输入电压反射到次级的电压Vs/n小。
3)开关模态3[t2,t3] 当Ch的充电电流减小到零的时候,Dc零电流关断,Ch上的电压保持在VH。原边电流仍被传递到输出端。
4)开关模态4[t3,t4] 在t3时刻,S1关断,原边电流给电容C1充电,使C
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