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改進(jìn)型全橋移相ZVS-PWMDC/DC變換器
摘要:介紹了一種能在全負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)的改進(jìn)型全橋移相ZVS-PWMDC/DC變換器。在分析其開關(guān)過程的基礎(chǔ)上,得出了實(shí)現(xiàn)全負(fù)載范圍內(nèi)零電壓開關(guān)的條件,并將其應(yīng)用于一臺48V/6V的DC/DC變換器。關(guān)鍵詞:全橋DC/DC變換器;零電壓開關(guān);死區(qū)時間
引言
移相控制的全橋PWM變換器是在中大功率DC/DC變換電路中最常用的電路拓?fù)湫问街。移相PWM控制方式利用開關(guān)管的結(jié)電容和高頻變壓器的漏電感作為諧振元件,使開關(guān)管達(dá)到零電壓開通和關(guān)斷。從而有效地降低了電路的開關(guān)損耗和開關(guān)噪聲,減少了器件開關(guān)過程中產(chǎn)生的電磁干擾,為變換器提高開關(guān)頻率、提高效率、降低尺寸及重量提供了良好的條件。同時保持了電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡潔、控制方式簡單、開關(guān)頻率恒定、元器件的電壓和電流應(yīng)力小等一系列優(yōu)點(diǎn)。
移相控制的全橋PWM變換器存在一個主要缺點(diǎn)是,滯后臂開關(guān)管在輕載下難以實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān),使得它不適合負(fù)載范圍變化大的場合[1]。電路不能實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)時,將產(chǎn)生以下幾個后果:
1)由于開關(guān)損耗的存在,需要增加散熱器的體積;
2)開關(guān)管開通時存在很大的di/dt,將會造成大的EMI;
3)由于副邊二極管的反向恢復(fù),高頻變壓器副邊漏感上的電流瞬變作用,在二極管上產(chǎn)生電壓過沖和振蕩,所以,在實(shí)際應(yīng)用中須在副邊二極管上加入R-C吸收。
針對上述問題,常見的解決方法是在變壓器原邊串接一個飽和電感Ls,擴(kuò)大變換器的零電壓開關(guān)范圍[2][3]。但是,采用這一方法后,電路仍不能達(dá)到全工作范圍的零電壓開關(guān)。而且,由于飽和電感在實(shí)際應(yīng)用中不可能具有理想的飽和特性,這將會導(dǎo)致:
1)增加電路環(huán)流,從而增加變換器的導(dǎo)通損耗;
2)加重了副邊電壓占空比丟失,從而增加原邊電流及副邊二極管電壓應(yīng)力;
3)飽和電感以很高的頻率在正負(fù)飽和值之間切換,磁芯的損耗會很大,發(fā)熱嚴(yán)重。
改進(jìn)型全橋移相ZVS?PWMDC/DC變換器是針對上述缺點(diǎn)所提出的一種電路拓?fù)鋄4][5][6]。它通過在電路中增加輔助支路,使開關(guān)管能在全部負(fù)載范圍內(nèi)達(dá)到零電壓開關(guān),它在小功率(<3kW)電路中具有明顯的優(yōu)越性。由于在移相控制的全橋PWM變換器中,超前臂ZVS的實(shí)現(xiàn)相對比較簡單,所以本文將不分析超前臂的開關(guān)過程,而著重分析滯后臂在增加了輔助支路以后的開關(guān)過程及其實(shí)現(xiàn)ZVS的條件。
1改進(jìn)型全橋移相ZVS-PWMDC/DC變換器
1.1電路拓?fù)?br />
圖1所示是一種改進(jìn)型全橋移相ZVS?PWMDC/DC變換器,與基本的全橋移相PWM變換器相比,它只在滯后臂增加了由電感Lrx及電容Crx兩個元件組成的一個輔助支路。
在由Lrx及Crx組成的輔助諧振支路中,電容Crx足夠大,其上電壓VCrx應(yīng)滿足
則電感Lrx上得到的是一個占空比為50%的正負(fù)半周對稱的交流方波電壓,其幅值為Vin/2。電感上的電流峰值ILrx(max)為
式中:Vin為輸入直流電壓;
Ts為開關(guān)周期。
電路采用移相控制方式,它的主電路工作原理也和基本的全橋PWM變換器完全一樣。而輔助支路的存在,可以保證滯后臂開關(guān)管在全部負(fù)載范圍內(nèi)的零電壓開通和關(guān)斷。
1.2電路運(yùn)行過程分析
由于移相控制的全橋PWM電路在很多文獻(xiàn)上已經(jīng)有了詳細(xì)的探討,所以本文不具體地分析其工作過程,只討論滯后臂開關(guān)管的開關(guān)過程及其達(dá)到零電壓開關(guān)的條件。為了便于分析,假設(shè):
——所有功率開關(guān)管及二極管均為理想器件;
——所有電感及電容均為理想元件;
——考慮功率開關(guān)管輸出結(jié)電容的非線性,有C1=C2=C3=C4=(4/3)Coss,并記C3+C4=C;
——考慮變壓器的漏感Llk;
——由于電感Lrx及電容Crx足夠大,可以認(rèn)為電感Lrx上電流iLrx在死區(qū)td內(nèi)保持不變。
1)t0時刻之前
在t0時刻之前,如圖2所示,變壓器原邊二極管D1,開關(guān)管S3,變壓器副邊二極管D5處于導(dǎo)通狀態(tài),變壓器原邊電流ip通過二極管D1和開關(guān)管S3流通,并在輸出電壓nVo的作用下線性下降,電路處于環(huán)流狀態(tài),實(shí)際電流方向與電流參考方向相反。在t0時刻,變壓器原邊電流ip(t0)為
式中:I1是副邊輸出濾波電感Lf電流最小值反射
到原邊的電流值,顯然,I1的大小取決于負(fù)載情況。
此時,輔助支路電感Lrx上電流ILrx(t0)為
iLrx(t0)=ILrx(max)(4)
2)t0~t1時間段
在t0時刻,開關(guān)管S3在電容C3及C4的作用下零電壓關(guān)斷。從t0時刻開始,電路開始發(fā)生LC諧振,使C3充電,C4放電,此階段等效電路如圖3所示,其中C為C3與C4的并聯(lián),變壓器原邊電壓及電流為vp和ip,電容C上的電壓及電流為vc和ic。在這時間段分別為
vp=Llk(5)
ic=C(6)
vp+vc=Vin(7)
ip-ic=ILrx(max)(8)
初始條件為
ip(t0)=-I1,vc(t0)=Vin
解方程式,并代入初始條件可得
式中:ω=1/為諧振角頻率。
這一諧振過程直到t1時刻,電容C4上的電壓諧振到零,二極管D4自然導(dǎo)通,這一過程結(jié)束。這一時間段長度為
t1=arcsin(13)
此時
ip(t1)=-(ILrx(max)+I(xiàn)1)cosωt1+I(xiàn)Lrx(max)=I2(14)
3)t1~td時間段
在t1時刻,D4導(dǎo)通,變壓器原邊電流ip在輸入電壓Vin作用下線性上升。此階段等效電路如圖4所示。在這時間段有
vp=Vin(15)
ip=I2+(t-t1)(16)
此過程可分為以下兩種情況。
。1)在死區(qū)td結(jié)束時,ip(td)≤I1,則在td時刻,原邊電流為
ip(td)=I2+(td-t1)&nb
sp;(17)
。2)設(shè)在t2時刻(t2<td),ip(t2)=I1,則在時刻t2,這一過程結(jié)束。此后保持
ip(t)=I1(t2?t?td)(18)
原邊通過變壓器向副邊提供能量。在td時刻,原邊電流為
ip(td)=I1(19)
開關(guān)管S4實(shí)現(xiàn)零電壓開通的條件是在td時刻,開關(guān)管S4上電壓為零,即vc(td)=0,必須滿足
ip(td)≤ILrx(max)(20)
圖4
4)td時刻之后
在td時刻,開關(guān)管S4開通,由于此時二極管D4處于導(dǎo)通狀態(tài),開關(guān)管兩端的電壓被箝位在零,所以開關(guān)管S4實(shí)現(xiàn)了零電壓開通。
1.3參數(shù)設(shè)計
由于實(shí)際電路中ILrx(max)足夠大,諧振過程(t0~t1)很快就完成了。電路實(shí)現(xiàn)ZVS的條件可以近似為1)在td?2I1時,ILrx(max)?td-I1+I(xiàn)x(21)2)在td>2I1時,
ILrx(max)≥I1+I(xiàn)x(22)
式中:td為死區(qū)時間;
Ix為滿足在死區(qū)時間內(nèi)完成S3充電,S4放電所需要的最小電流。
Ix=CVin/Ld(23)
可見,只要在
I1(t)=(1/2)[Vin/Llk]ld(24)
時,電路能滿足ZVS條件,那么電路在全部負(fù)載范圍內(nèi)都能實(shí)現(xiàn)ZVS。
根據(jù)以上分析,滿足滯后臂在全部負(fù)載范圍都能實(shí)現(xiàn)ZVS的條件為
ILrx(max)≥I1(t)+I(xiàn)x(25)
則輔助支路電感Lrx為
Lrx≤(VinTs)/8Llrx(max)(26)
假設(shè)在整個工作過程中電容Crx電壓變化不超過5%輸入電壓Vin,則有
Crx≥ILrx(max)Ts/(4×5%Vin)(27)
2實(shí)驗(yàn)結(jié)果
利用以上分析應(yīng)用于一48V/6V實(shí)驗(yàn)電路,該電路的主要數(shù)據(jù)為:
1)輸入直流電壓Vin=48V;
2)輸出直流電壓Vo=6V;
3)滿載輸出電流Io(max)=40A;
4)主電路開關(guān)頻率fs=50kHz;
5)死區(qū)時間td=200ns;
6)變壓器變比n=10∶2;
7)變壓器漏感Llk=2.2μH;
8)主開關(guān)管采用IRF530,輸出結(jié)電容Coss=215pF。
根據(jù)以上分析,利用式(23)~式(27),輔助諧振支路的參數(shù)為
Lrx=50μH,Crx=5μH
圖5,圖6及圖7是該實(shí)驗(yàn)電路滯后臂在開關(guān)過程中的開關(guān)管電壓vDS和驅(qū)動電壓vGS的實(shí)驗(yàn)波形。由圖可見,開關(guān)管在全部負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了零電壓開關(guān)。
3結(jié)語
本文所討論的改進(jìn)型全橋移相ZVS?PWMDC/DC變換器不僅保持了全橋移相PWM電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡潔、控制方式簡單的優(yōu)點(diǎn),而且保證了滯后臂在全負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)。同時,輔助支路是無源的,容易實(shí)現(xiàn)且基本上不影響變換器的可靠性。
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