王 瑩,喬 明,楊 波
(哈爾濱電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院,哈爾濱150030)
一種新型移相控制全橋零電壓開關(guān)變換器拓?fù)涞难芯?/p>
王 瑩,喬 明,楊 波
(哈爾濱電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院,哈爾濱150030)
為了提高傳統(tǒng)電焊機(jī)中開關(guān)電源的效率,設(shè)計(jì)了一種新的焊接電源,其原理是基于一種改進(jìn)型的移相控制全橋零電壓開關(guān)PWM變換器,在變換器中加入了諧振電感和鉗位二極管。分析了該變換器可以消除變壓器二次側(cè)輸出整流二極管兩端電壓尖峰的原因以及高效率的特性,得到了基于Pspice的PS-FB-ZVS PWM變換器的仿真波形,并設(shè)計(jì)了1臺2.4kW、50Hz的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果表明,研制的2.4kW的充電電源實(shí)驗(yàn)樣機(jī)整機(jī)效率和可靠性很高,實(shí)用價(jià)值較大。
高效率;移相控制;零電壓開關(guān);鉗位二極管
目前,傳統(tǒng)電焊機(jī)中應(yīng)用的開關(guān)電源普遍效率較低,這對電能造成了極大的浪費(fèi)。大功率電源研制中普遍采用全橋移相變換技術(shù)[1],變換器利用功率開關(guān)管的結(jié)電容與變壓器的漏感產(chǎn)生諧振,不僅可以實(shí)現(xiàn)開關(guān)管零電壓開關(guān),還可以實(shí)現(xiàn)脈寬調(diào)制(PWM)控制。變換器采用了一種改進(jìn)型的全橋變換器,即在變壓器的一次側(cè)增加兩個(gè)鉗位二極管和一個(gè)諧振電感,這樣可以抑制輸出整流管上的電壓振蕩和電壓尖峰,并且省略了有損吸收電路,有助于提高效率同時(shí)降低損耗[2]。為了提高電焊機(jī)的效率,本文闡述了該改進(jìn)型變換器的工作原理及抑制二次側(cè)輸出整流二極管兩端電壓尖峰的機(jī)理[3],利用電流模式控制方式設(shè)計(jì)了控制電路,實(shí)現(xiàn)恒流限壓輸出特性。利用Pspice對該變換器進(jìn)行了相應(yīng)的仿真分析,并在實(shí)驗(yàn)室條件下設(shè)計(jì)了1臺2.4kW、50Hz的實(shí)驗(yàn)樣機(jī),測試了1/4額定負(fù)載、1/2額定負(fù)載和額定負(fù)載情況下的相關(guān)波形,并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
本文研究的改進(jìn)型變換器實(shí)質(zhì)是移相控制全橋零電壓軟開關(guān)變換器,其電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。對基本全橋變換器進(jìn)行調(diào)整,在變壓器的一次側(cè)增加兩個(gè)鉗位二極管和一個(gè)諧振電感,變換器仍采用移相控制方式。這里有Lf?Lr/n2,其中n為變壓器匝比。采用的改進(jìn)型全橋變換器,其主要的波形如圖2所示。
在變換器中加入鉗位二極管和諧振電感,可以有效消除輸出整流管的電壓尖峰以及振蕩,其工作原理可參考文獻(xiàn)[4-5]。本文主要分析[t6-t8]時(shí)段內(nèi)的工作過程,在一個(gè)開關(guān)周期中起到消除二次側(cè)整流管電壓振蕩和電壓尖峰作用的時(shí)段為[t7-t8]和[t16-t17]。其中[t6-t7]與[t7-t8]時(shí)段的等效電路分別如圖3和圖4所示。
圖1 改進(jìn)型全橋變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖Fig.1 Topology structure diagram ofimproved full-bridge converter
圖2 改進(jìn)型全橋變換器的主要波形圖Fig.2 Main waveform diagram ofimproved full-bridge converter
圖3 [t6-t7]時(shí)段的等效電路Fig.3 Equivalent circuit at [t6-t7] period
圖4 [t7-t8]時(shí)段的等效電路Fig.4 Equivalent circuit at [t7-t8] period
在t6時(shí)刻,Ds關(guān)斷,D6導(dǎo)通。Lr將與電容CD5產(chǎn)生諧振,為CD5充電,ip和iLr繼續(xù)反向增加。
在t7時(shí)刻,D8導(dǎo)通鉗位,提供電流通道,使ip階躍地減小到一個(gè)值,這個(gè)值是二次側(cè)濾波電感電流折算到一次側(cè)電流的等效值。隨后ip開始反向增加,在這個(gè)過程中iLr將持續(xù)不變。電流iLr與ip的差值流經(jīng)D8,這個(gè)電流呈鋸齒波狀,鋸齒波狀的電流抑制了整流二極管尖峰。ip不斷增大,到t8時(shí)刻,將與iLr相等,至此D8被迫關(guān)斷,開關(guān)模態(tài)結(jié)束。[t16-t17]時(shí)段與此類似,區(qū)別是時(shí)段內(nèi)D7導(dǎo)通。
改進(jìn)型移相控制全橋零電壓PWM變換器,本文利用PSpice仿真軟件搭建了其仿真電路,并采用實(shí)際的器件對其進(jìn)行仿真分析,仿真的參數(shù)如下:開關(guān)頻率50kHz,變壓器變比n=12/1/1,主電路相關(guān)仿真波形如圖5所示。
圖5 該變換器的主要仿真波形Fig.5 Main waveforms of the converter
在圖5仿真波形圖中,包含了開關(guān)管的驅(qū)動、變壓器一次側(cè)電流、二次側(cè)輸出整流二極管上的電壓、鉗位二極管電流、橋臂中點(diǎn)電壓、諧振電感電流、二次側(cè)輸出整流電壓以及輸出濾波電感上電流等波形。
在仿真條件下,與基本移相控制FB-ZVS-PWM變換器相比,可以發(fā)現(xiàn)該變換器流經(jīng)鉗位二極管的電流值是很小的;二次側(cè)輸出整流二極管上的電壓尖峰也非常小,幾乎沒有電壓振蕩;變壓器二次側(cè)的占空比與一次側(cè)占空比相比較小,這說明存在占空比丟失的現(xiàn)象。由于諧振電感電流的正向值很小,這就減小了二次側(cè)的占空比丟失,因此可以適當(dāng)增加變換器原二次側(cè)的變比,從而進(jìn)一步來降低它的通態(tài)損耗。
加入鉗位二極管的PS-FB-ZVS PWM變換器,為了驗(yàn)證其工作原理和固有特性,在實(shí)驗(yàn)室中完成了一臺2.4 kW的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。該樣機(jī)的主要參數(shù)如下:開關(guān)頻率fS=50 kHz,輸入電壓Vin=400 VDC,輸出電壓VO的最大值為24 VDC,輸出電流IO的最大值為100 A,而且輸出電壓與輸出電流均可調(diào),保持恒流限壓輸出特性,限壓值為28 VDC。
圖6 改進(jìn)型變換器的實(shí)測波形Fig.6 Measured waveforms of improved converter
樣機(jī)的實(shí)際測試波形如圖6所示,實(shí)測波形與圖5的仿真波形相對應(yīng)。
從圖6可以看出,變壓器二次側(cè)輸出整流二極管兩端的電壓尖峰很小,說明得到了很好地抑制;流經(jīng)兩個(gè)鉗位二極管的電流峰值很小,持續(xù)時(shí)間很短,實(shí)際測試發(fā)熱量很小,有利于提高效率;輸出濾波電感上的電流脈動較小,符合設(shè)計(jì)要求。
該變換器有一個(gè)固有特性,即在輕載條件下滯后臂實(shí)現(xiàn)ZVS較為困難。負(fù)載變化的條件下,為了了解零電壓軟開關(guān)能否實(shí)現(xiàn)以及超前臂與滯后臂在實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)時(shí)的具體難易程度,實(shí)驗(yàn)室測試了樣機(jī)在1/4額定負(fù)載、1/2額定負(fù)載和額定負(fù)載這三種情況下驅(qū)動與開關(guān)管漏源電壓的波形。
在1/4額定負(fù)載條件下,超前臂與滯后臂開關(guān)管的驅(qū)動波形以及漏源電壓VDS波形如圖7所示。在1/2額定負(fù)載條件下,超前臂與滯后臂開關(guān)管的驅(qū)動波形以及漏源電壓VDS波形如圖8所示。在額定負(fù)載條件下,超前臂與滯后臂開關(guān)管的驅(qū)動波形及漏源電壓VDS的波形如圖9所示。
圖7 1/4額定負(fù)載條件下超前臂與滯后臂驅(qū)動波形及漏源電壓波形Fig.7 Driving waveforms of super forearmand lag arm and leakage source voltagewaveforms under 1/4 rated load condition
圖8 1/2額定負(fù)載條件下超前臂與滯后臂驅(qū)動波形及漏源電壓波形Fig.8 Driving waveforms of super forearmand lag arm and leakage source voltagewaveforms under 1/2 rated load condition
圖9 額定負(fù)載條件下超前臂與滯后臂驅(qū)動波形及漏源電壓波形Fig.9 Driving waveforms of super forearmand lag arm and leakage source voltagewaveforms under rated load condition
從圖7、圖8和圖9中可以看出:在重載條件如額定負(fù)載(100A)及1/2額定負(fù)載(50A)輸出條件下,超前臂和滯后臂開關(guān)管在出現(xiàn)驅(qū)動信號之前,其漏源電壓已經(jīng)降為零,說明可以容易地實(shí)現(xiàn)零電壓軟開關(guān);在輕載條件下,如1/4額定負(fù)載(25A)輸出條件下,只有超前臂實(shí)現(xiàn)了軟開關(guān),滯后臂并沒有實(shí)現(xiàn),說明滯后臂開關(guān)在輕載條件下不容易實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)。
所研制的充電電源樣機(jī)效率曲線如圖10所示。
圖10 不同輸出電流條件下的效率曲線Fig.10 Efficiency curves under different output currents
測試條件如下:輸入電壓為額定狀態(tài),輸出電壓24V保持不變,改變輸出電流,得到不同輸出電流條件下的效率曲線??梢钥闯?,所研制的充電電源樣機(jī)整機(jī)效率很高,在額定負(fù)載條件下近似達(dá)到了98%。
本文提出了改進(jìn)型的移相控制全橋零電壓開關(guān)PWM變換器的概念,分析了其工作原理,給出了相應(yīng)的仿真分析,并且設(shè)計(jì)了1臺2.4kW的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看,該樣機(jī)二次側(cè)輸出整流二極管上的電壓尖峰得到了很好地抑制,占空比損失比未改進(jìn)之前減小,鉗位二極管在1個(gè)周期中只有一個(gè)導(dǎo)通1次。該變換器的結(jié)構(gòu)簡單,效率和可靠性較高,具有較大的推廣價(jià)值和潛力。
[1] 潘敏. 48kW高頻開關(guān)電源的研制[J]. 電氣傳動自動化, 2010, 32(1):17-19.
PAN Min. Development of 48kW high-frequency switching power supply[J]. Electric Drive Automation, 2010, 32(1): 17-19.
[2] Jang Y, Jovanovic M M. A New PWM ZVS Full-Bridge Converter[J]. IEEE Trans. Power Electron., Part Special Section on Lighting Applications,2007,22(3):987-994.
[3] 楊幼松,申群太. 一種新的移相全橋零電壓開關(guān)PWM變換器[J]. 通信電源技術(shù),2010,27(1):1-4.
YANG Yousong, SHEN Quntai. A new phase-shift full-bridge zero-voltage-switching PWM converter[J]. Telecom Power Technology, 2010, 27(1): 1-4.
[4] REDL R,SOKAL N O,BALOGH L.A novel soft-switching full-bridge DC/DC converter:analysis,design consideration sand experimental results at 1.5 kW,100 kHz[J]. IEEE Trans. on Power Electronics,1991,6(3):408-418.
[5] Redl, R., Balogh, L., Edwards, D.W. Optimal ZVS Full-bridge DC/DC Converter with PWM Phase-shift Control: Analysis, Design Considerations, and Experimental Results[C].IEEE APEC’94, Piscataway, USA,1994.
On a new phase-shift control full-bridge ZVS converter topology
WANG Ying,QIAO Ming,YANG Bo
(Harbin Electric Power Vocational Technical College, Harbin 150030, China)
In order to improve the efficiency of switching power supply in traditional welding machine, a new welding power source is designed. The principle of the design is based on an improved phase-shift full-bridge zero-voltage-switching PWM converter, in which resonators and clamp diodes inductance are added. The reason that the converter can eliminate the voltage spike at both ends of the converter secondary side output rectifier diode and the high efficiency property are analyzed. Then the simulation waveform of PS-FB-ZVS PWM converter based on Pspice is obtained and a 2.4kW, 50Hz experimental prototype is designed. The experimental results show that the designed prototype with 2.4kW rechargeable power supply has high efficiency and reliability as well as the great practical value.
high efficiency, phase-shift control, zero-voltage switching (ZVS), clamp diodes
2017-03-22;
2017-09-28。
王 瑩(1981—),女,講師,現(xiàn)從事供用電技術(shù)方向的教學(xué)與研究工作。
TM461
A
2095-6843(2017)06-0497-04
(編輯侯世春)