邵珠雷

（許昌學(xué)院 電氣工程學(xué)院，河南 許昌 461000）

一種帶輔助電路的ZCS軟開(kāi)關(guān)全橋直流變換器*

邵珠雷

（許昌學(xué)院 電氣工程學(xué)院，河南 許昌 461000）

針對(duì)零電壓零電流開(kāi)關(guān)（ZVZCS）全橋直流變換器在中大功率應(yīng)用場(chǎng)合效率不高的問(wèn)題，提出了一種帶輔助電路的零電流開(kāi)關(guān)（ZCS）全橋直流變換器。通過(guò)為全橋直流變換器的超前臂和滯后臂設(shè)計(jì)相應(yīng)的輔助電路，實(shí)現(xiàn)了全橋直流變換器兩橋臂開(kāi)關(guān)管的零電流關(guān)斷，即實(shí)現(xiàn)了ZCS。根據(jù)提出的ZCS軟開(kāi)關(guān)全橋直流變換器結(jié)構(gòu)，試制了一臺(tái)3 kW的樣機(jī)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，ZCS軟開(kāi)關(guān)全橋直流變換器的超橋臂及滯后臂均工作于零電流開(kāi)關(guān)狀態(tài)。為驗(yàn)證ZCS軟開(kāi)關(guān)全橋直流變換器的效率性能，將其與ZVZCS全橋直流變換器進(jìn)行效率方面的比較。由比較結(jié)果可知，ZCS軟開(kāi)關(guān)全橋直流變換器在中大功率應(yīng)用場(chǎng)合中的效率明顯優(yōu)于ZVZCS全橋直流變換器，表現(xiàn)出良好的性能。

軟開(kāi)關(guān)；全橋直流變換器；零電流開(kāi)關(guān)

0　引言

目前，全橋直流變換器已在中大功率場(chǎng)合得到了廣泛應(yīng)用。為了進(jìn)一步降低電能變換的損耗，軟開(kāi)關(guān)技術(shù)在全橋直流變換器的設(shè)計(jì)中必不可少[1]。應(yīng)用于全橋直流變換器的軟開(kāi)關(guān)技術(shù)大致有三類，分別為零電壓開(kāi)關(guān)（Zero Voltage Switching，ZVS）技術(shù)、零電壓零電流開(kāi)關(guān)（Zero Voltage Zero Current Switching，ZVZCS）技術(shù)以及零電流開(kāi)關(guān)（Zero Current Switching，ZCS）技術(shù)。ZVZCS技術(shù)通過(guò)設(shè)計(jì)諧振元件或增加輔助電路，較好地實(shí)現(xiàn)了全橋直流變換器滯后臂的零電流關(guān)斷，但其超前臂仍為零電壓開(kāi)通方式，因此超前臂的開(kāi)關(guān)管多采用 MOSFET，這使得采用ZVZCS技術(shù)的全橋直流變換器在功率等級(jí)方面受到限制。ZCS技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)全橋直流變換器超前臂和滯后臂的零電流關(guān)斷，且開(kāi)關(guān)管均采用 IGBT[2]。本文提出了一種帶輔助電路的ZCS軟開(kāi)關(guān)全橋直流變換器，適用于中大功率場(chǎng)合，且具有較低的損耗。

圖1　ZCS軟開(kāi)關(guān)全橋直流變換器電路拓?fù)?/p>

1　電路拓?fù)浼肮ぷ髟?/h2>

本文提出的ZCS軟開(kāi)關(guān)全橋直流變換器，其電路拓?fù)淙鐖D1所示。其中開(kāi)關(guān)管Sa、二極管Da、電容Ca以及電感La共同構(gòu)成超前臂輔助電路。而變壓器副邊的電容Cc、二極管Dc以及二極管Dv共同構(gòu)成滯后臂輔助電路。兩輔助電路實(shí)現(xiàn)了全橋直流變換器開(kāi)關(guān)管的ZCS，并且超前臂輔助電路中的開(kāi)關(guān)管 Sa也工作于零電流開(kāi)關(guān)狀態(tài)[3]。

ZCS軟開(kāi)關(guān)全橋直流變換器在半個(gè)工作周期中可細(xì)分為8個(gè)階段，本文將其定義為 8個(gè)工作模式[4]。ZCS軟開(kāi)關(guān)全橋直流變換器的工作波形如圖2所示。其中，Vgs13為超前臂開(kāi)關(guān)管 S1及 S3的柵源極間電壓，Vgs24為滯后臂開(kāi)關(guān)管 S2及 S4的柵源極間電壓，Vprimary為變壓器原邊電壓，IS1至IS4分別為流過(guò)開(kāi)關(guān)管 S1～S4的電流。

圖2　工作波形

工作模式 1(t0≤t＜t1)：當(dāng) t=t0時(shí)，開(kāi)關(guān)管 S1及 S2處于開(kāi)通狀態(tài)，變換器通過(guò)二極管D3及D4輸出能量。超前臂輔助電路中的開(kāi)關(guān)管Sa在t0時(shí)刻處于開(kāi)通狀態(tài)，電容Ca開(kāi)始放電，并與電感 La產(chǎn)生諧振。當(dāng)開(kāi)關(guān)管Sa中流過(guò)的電流降為零時(shí)，工作模式1結(jié)束。變換器等效電路圖如圖3所示。

圖3　工作模式1等效電路圖

在等效電路圖中，Vin為變壓器原邊的輸入電壓，Iin為變壓器原邊的輸入電流。流過(guò)電感 La的電流 ILa及流過(guò)開(kāi)關(guān)管 S1的電流 IS1的表達(dá)式如式(1)及式(2)所示：

式中：n為變壓器的變比，Io為輸出電流，Lt為變壓器漏感，IS1為流過(guò)開(kāi)關(guān)管 S1的電流，ILa為流過(guò)電感 La的電流，ILt為流過(guò)變壓器漏感的電流，VCa為電容 Ca兩端的電壓，Vo為輸出電壓。

工作模式 2(t1≤t＜t2)：當(dāng) t=t1時(shí)，流過(guò)開(kāi)關(guān)管 Sa的電流ISa反向流過(guò)開(kāi)關(guān)管 Sa的反并聯(lián)二極管 DSa。當(dāng)電流流過(guò)二極管DSa時(shí)，開(kāi)關(guān)管Sa在零電流條件下關(guān)斷。工作模式2的等效電路圖如圖4所示。隨著電容Ca與電感La諧振的發(fā)生，電容Ca兩端的電壓不斷升高，而流過(guò)開(kāi)關(guān)管S1的電流IS1不斷降低。當(dāng)流過(guò)開(kāi)關(guān)管S1的電流IS1降為零時(shí)，變換器工作模式2結(jié)束。在工作模式2中，流過(guò)開(kāi)關(guān)管S1的電流IS1和流過(guò)電感La的電流ILa的表達(dá)式與工作模式1相同。

圖4　工作模式2等效電路圖

工作模式 3(t2≤t＜t3)：當(dāng) t=t2時(shí)，流過(guò)開(kāi)關(guān)管 S1的電流反向流過(guò)開(kāi)關(guān)管 S1的反并聯(lián)二極管DS1，開(kāi)關(guān)管S1可在零電流條件下關(guān)斷，即實(shí)現(xiàn)ZCS。隨著電容Ca與電感La產(chǎn)生諧振，電容Ca兩端的電壓繼續(xù)升高。超前臂輔助電路中的電流反向流過(guò)二極管DSa。工作模式3的等效電路圖如圖5所示。

圖5　工作模式3等效電路圖

工作模式 4(t3≤t＜t4)：當(dāng)t=t3時(shí)，開(kāi)關(guān)管S3處于開(kāi)通狀態(tài)，并且由于電感La及變壓器漏感的存在，開(kāi)關(guān)管S3可實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)。在工作模式4中，滯后臂輔助電路中的二極管Dv正向?qū)?，電容Cc處于放電狀態(tài)，且電容Lc兩端的電壓為變壓器原邊電壓的反電壓。

工作模式 5(t4≤t＜t5)：當(dāng) t=t4時(shí)，開(kāi)關(guān)管 S2中的電流IS2減小為零，開(kāi)關(guān)管S2可在零電流條件下關(guān)斷，即實(shí)現(xiàn)ZCS。在工作模式5中，變換器輸入回路電流流過(guò)二極管DSa及開(kāi)關(guān)管S3，而輸出回路中的電容 Cc持續(xù)處于放電狀態(tài)，并為負(fù)載提供能量輸出。

工作模式6(t5≤t＜t6)：當(dāng) t=t5時(shí)，變換器輸入回路中的電流減小為零，開(kāi)關(guān)管S3可在零電流條件下關(guān)斷，即實(shí)現(xiàn)ZCS。在變換器輸出回路中，電容Cc處于放電狀態(tài)，電流通過(guò)二極管Dv形成回路，為負(fù)載提供能量。

工作模式 7(t6≤t＜t7)：當(dāng) t=t6時(shí)，變換器輸出回路中，電容Cc放電結(jié)束，二極管D1至D4開(kāi)始正向?qū)ú⑿纬奢敵龌芈?，?fù)載電流經(jīng)二極管D1至D4流過(guò)。

工作模式 8(t7≤t＜t8)：當(dāng) t=t7時(shí)，開(kāi)關(guān)管 S4開(kāi)通，由于變壓器漏感的存在，流過(guò)開(kāi)關(guān)管S4的電流逐漸升高。在變換器輸出回路中，電流流過(guò)二極管 D1、D2及 Dv。滯后臂輔助電路中的電容Cc與變壓器漏感產(chǎn)生諧振，電容Cc電壓開(kāi)始上升。

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

根據(jù)本文提出的ZCS軟開(kāi)關(guān)全橋直流變換器結(jié)構(gòu)，試制了一臺(tái)功率為3 kW的樣機(jī)。樣機(jī)輸入電壓Vin=400 V，輸出電壓Vo=380 V，工作頻率 f=80 kHz。超前臂輔助電路中電感 La=3 μH，電容 Ca=62 nF，滯后臂輔助電路中的電容Cc=3.3 μF。變壓器變比n=21/18，變壓器漏感Lt=3.2 μH。為了便于實(shí)驗(yàn)觀察，對(duì)樣機(jī)進(jìn)行電壓波形測(cè)量時(shí)，將電壓波形幅值縮小了100倍，對(duì)電流波形測(cè)量時(shí)，采用相應(yīng)電流探頭，并將電流波形幅值縮小了10倍[5]。實(shí)驗(yàn)所得電路波形如圖6、圖7及圖8所示。

圖6　開(kāi)關(guān)管S1的電壓波形及電流波形

圖7　開(kāi)關(guān)管S2的電壓波形及電流波形

圖8　開(kāi)關(guān)管S3的電壓波形及電流波形

超前臂開(kāi)關(guān)管S1及S3的電壓波形和電流波形如圖6及圖8所示。由圖可知，開(kāi)關(guān)管S1及S3均實(shí)現(xiàn)了零電流關(guān)斷，超前臂完全工作于零電流開(kāi)關(guān)狀態(tài)，即實(shí)現(xiàn)了ZCS。滯后臂開(kāi)關(guān)管S2的電壓波形和電流波形如圖7所示。由圖可知，滯后臂也工作于零電流開(kāi)關(guān)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了ZCS。

為了進(jìn)一步了解本文提出的ZCS軟開(kāi)關(guān)全橋直流變換器的效率性能，將其與使用ZVZCS技術(shù)的全橋直流變換器進(jìn)行效率方面的比較，兩種軟開(kāi)關(guān)全橋直流變換器效率的比較結(jié)果如圖9所示。

圖9　效率比較結(jié)果

在圖9中，帶圓點(diǎn)的曲線為ZCS軟開(kāi)關(guān)全橋直流變換器的效率曲線，而帶三角的曲線為ZVZCS全橋直流變換器的效率曲線。由圖可知，ZCS軟開(kāi)關(guān)全橋直流變換器在中大功率應(yīng)用場(chǎng)合中的效率明顯優(yōu)于ZVZCS全橋直流變換器[6]。在 3 kW 應(yīng)用場(chǎng)合中，ZCS軟開(kāi)關(guān)全橋直流變換器的效率高出ZVZCS全橋直流變換器7%，效率達(dá)到95%，表現(xiàn)出了良好的性能。

3　結(jié)論

本文提出了一種帶輔助電路的ZCS軟開(kāi)關(guān)全橋直流變換器。ZCS軟開(kāi)關(guān)全橋直流變換器具有兩個(gè)輔助電路，一個(gè)為超前臂輔助電路，另一個(gè)為滯后臂輔助電路。輔助電路實(shí)現(xiàn)了全橋直流變換器超前臂開(kāi)關(guān)管和滯后臂開(kāi)關(guān)管的零電流關(guān)斷，即實(shí)現(xiàn)了ZCS。在理論分析及參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，試制了一臺(tái)功率為3 kW的樣機(jī)。由實(shí)驗(yàn)可知，超前橋臂開(kāi)關(guān)管和滯后橋臂開(kāi)關(guān)管均可在零電流條件下關(guān)斷，具有較小的損耗。針對(duì)變換器的效率問(wèn)題，將ZCS軟開(kāi)關(guān)全橋直流變換器與ZVZCS全橋直流變換器進(jìn)行了比較。由比較結(jié)果可知，ZCS軟開(kāi)關(guān)全橋直流變換器在中大功率應(yīng)用場(chǎng)合中具有較高的效率，表現(xiàn)出良好的性能。

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A ZCS soft-switching full-bridge DC-DC converter with auxiliary circuits

Shao Zhulei
(School of Electrical Engineering，Xuchang University，Xuchang 461000，China)

Aiming at the problems of zero voltage zero current switching(ZVZCS)full-bridge DC-DC converter in high power application,a zero current switching(ZCS)soft-switching full-bridge DC-DC converter with auxiliary circuits is proposed in this paper. The outstanding feature of the ZCS converter is that it allows its main power switches to operate with zero current switching(ZCS) by using two simple auxiliary circuits.A 3 kW converter was designed,and the experimental waveforms show that the leading leg and lagging leg of the converter are operated with zero current switching.Finally,a comparative study was done on the ZCS converter and the ZVZCS converter.It can be seen that the ZCS converter is more efficient than the ZVZCS converter in high power application.

soft-switching；full-bridge direct current converter；zero current switching

TM46

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2016.02.032

河南省高等學(xué)校重點(diǎn)科研項(xiàng)目（15B470006）

2015-08-10)(

2015-10-10)

邵珠雷（1983-），男，碩士研究生，助教，主要研究方向：電力電子技術(shù)應(yīng)用。

中文引用格式：邵珠雷.一種帶輔助電路的 ZCS軟開(kāi)關(guān)全橋直流變換器[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42(2)：118-121，

英文引用格式：Shao Zhulei.A ZCS soft-switching full-bridge DC-DC converter with auxiliary circuits[J].Application of Electronic Technique，2016，42(2)：118-121，