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        新型容性整流移相全橋變換器研究

        2021-06-07 06:10:40戶毅仁張林博
        關(guān)鍵詞:模態(tài)變壓器

        戶毅仁, 石 勇, 張林博, 郭 康

        (陜西科技大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院, 陜西 西安 710021)

        0 引言

        隨著電力電子技術(shù)的快速發(fā)展, DC-DC變換器的發(fā)展也得到了長(zhǎng)足的進(jìn)步.由于DC-DC變換器具有效率高、可靠性高等優(yōu)點(diǎn),所以廣泛應(yīng)用于工業(yè)、航空、醫(yī)療、科技等領(lǐng)域.其中,移相全橋變換器[1-4]因?yàn)榫哂熊涢_(kāi)關(guān)范圍寬的優(yōu)點(diǎn),所以廣泛應(yīng)用于中大功率領(lǐng)域.移相全橋變換器的一次環(huán)流損耗[5-12]、軟開(kāi)關(guān)諧振過(guò)程[13-20]等問(wèn)題是該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn).文獻(xiàn)[9]通過(guò)增加變壓器繞組和副邊增加輔助電路,使滯后橋臂形成單獨(dú)半橋電路,很好的解決了滯后管ZVS實(shí)現(xiàn)范圍窄的缺點(diǎn);文獻(xiàn)[10]采用電容濾波器取代常規(guī)的LC濾波器,使變壓器一次側(cè)電流迅速?gòu)?fù)位以實(shí)現(xiàn)滯后管ZCS,且變壓器二次側(cè)整流二極管無(wú)反向恢復(fù)損耗.這些研究成果極大的促進(jìn)了DC-DC變換器的實(shí)用化進(jìn)程.

        通過(guò)增加輔助電路可以改善傳統(tǒng)變換器的缺點(diǎn),與此同時(shí)會(huì)帶來(lái)增大電路體積、控制方式復(fù)雜等問(wèn)題.本文提出一種新型容性整流移相全橋變換器,該變換器副邊采用容性整流結(jié)構(gòu),不需要增加輔助電路且控制方式簡(jiǎn)單,可在續(xù)流階段將原邊電流復(fù)位至0.該變換器具有如下優(yōu)點(diǎn):滯后管在寬負(fù)載范圍內(nèi)可實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān),無(wú)二極管反向恢復(fù)損耗.本文首先介紹了該變換器的組成及原理分析,隨后進(jìn)行電路的特性分析,接著是實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析,最后給出結(jié)論.經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證:該電路工作原理正確,可以正常工作.

        1 電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

        圖1為本文所提出的新型容性整流移相全橋變換器的電路拓?fù)?在一次側(cè),Vin為直流母線輸入電壓;Q1、Q2、Q3、Q4為N型MOSFET,其中D1、D2、D3、D4為MOSFET的體二極管,C1、C2、C3、C4為MOSFET的輸出電容,并不需要外接電容.Cin為穩(wěn)壓電容,接在直流輸入母線兩端.Lp是變壓器漏感.在二次側(cè),D5、D6、D7、D8是整流二極管,由于本文所提出的電路拓?fù)洳捎秒娙轂V波器,負(fù)載Ro只與Co并聯(lián)連接.

        圖1 新型容性整流移相全橋變換器

        2 基本工作原理

        圖2為該變換器的關(guān)鍵波形圖.vQ1、vQ2、vQ3、vQ4為原邊開(kāi)關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)波形;vp為變壓器原邊電壓波形;vs為變壓器副邊電壓波形;ip為原邊電流波形;iD5為整流二極管電流波形.

        圖2 關(guān)鍵波形圖

        該電路拓?fù)湔胫芷谀B(tài)如圖3所示.在討論之前,假設(shè)所有功率器件為理想元器件,忽略驅(qū)動(dòng)電壓上升時(shí)間和一次側(cè)開(kāi)關(guān)管的壓降以及關(guān)斷時(shí)的漏電流.

        模態(tài)1[t0-t1]:Q1和Q4都導(dǎo)通,輸入電源通過(guò)變壓器給負(fù)載穩(wěn)定供電,D5和D6導(dǎo)通.ip線性增加,在t1時(shí)刻,ip增加至最大ipmax,其斜率為:

        (1)

        模態(tài)2[t1-t2]:在t1時(shí)刻,Q1關(guān)斷.由于Lp的存在,ip保持之前的方向,但呈線性減小;ip給C1充電,同時(shí)給C2放電.由于有C1和C2,限制了Q1的d、s兩端電壓的增長(zhǎng)速率,使得Q1是ZVS關(guān)斷.此階段ip為:

        (2)

        式(2)中:kT-變壓器變比.

        C1、C2的電壓依次為:

        (3)

        (4)

        式(3) 、(4)中:I1-Δt1-2期間的有效值,近似于ipmax.

        模態(tài)的持續(xù)時(shí)間為:

        (5)

        模態(tài)3[t2-t3]:在t2時(shí)刻,C1的電壓上升到Vin,C2的電壓下降到0,這時(shí)D2自然導(dǎo)通.此階段電流為:

        (6)

        由于沒(méi)有濾波電感作用,電流下降很快,這個(gè)模態(tài)結(jié)束之前原邊電流能否降至0,漏感Lp的大小起決定性作用,驗(yàn)證本文理論的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)所用變壓器漏感較小,ip可以在該模態(tài)復(fù)位至0,因此電流復(fù)位到0的時(shí)間為:

        (7)

        在t3時(shí)刻,Q2實(shí)現(xiàn)ZVS開(kāi)通.Q1與Q2的死區(qū)時(shí)間Tdead一定大于Δt1-2,以保證Q1可以實(shí)現(xiàn)ZVS關(guān)斷,Q4可以ZVS開(kāi)通,即

        (8)

        模態(tài)4[t3-t4]:t3時(shí)刻之前,ip降至0,在t4時(shí)刻,Q4可以實(shí)現(xiàn)ZCS關(guān)斷.

        模態(tài)5[t4-t5]:在t5時(shí)刻,由于漏感作用,限制了ip的變化率,從而Q3可以實(shí)現(xiàn)ZCS導(dǎo)通.此模態(tài)時(shí)間與Q3與Q4的死區(qū)時(shí)間Tdead一致,即

        Δt4-5=Tdead

        (9)

        模態(tài)6[t5-t6]:Q2在t3時(shí)刻已經(jīng)開(kāi)通,Q3在t5時(shí)刻也已經(jīng)開(kāi)通,進(jìn)入負(fù)半周期.在t6時(shí)刻時(shí),電流降為反向最大-ipmax,原邊電流等于:

        (10)

        Δt5-6時(shí)間為:

        (11)

        式(11)中:D-有效占空比(Q1與Q4共同導(dǎo)通時(shí)間與周期之比);T-周期時(shí)間.

        從這模態(tài)開(kāi)始,電路進(jìn)入負(fù)半個(gè)周期,其工作情況類(lèi)似于前面描述的[t0-t5].

        (a)模態(tài)1

        (b)模態(tài)2

        (c)模態(tài)3

        (d)模態(tài)4

        (e)模態(tài)5

        (f)模態(tài)6圖3 正半周期模態(tài)圖

        3 電路特性分析

        3.1 電流復(fù)位原理及產(chǎn)生的影響

        如圖2所示,t0到t5時(shí)刻為該電路的半個(gè)周期,其中:t0到t1時(shí)刻為有效占空比時(shí)間,時(shí)間為DT;t1到t5時(shí)刻為電流復(fù)位時(shí)間,時(shí)間為(1/2-D)T.而從t2時(shí)刻起,D2自然導(dǎo)通,限制了電流方向,變壓器原邊電壓已降至0,副邊vs仍保持高電平狀態(tài),由副邊反射回原邊的電壓強(qiáng)行拉低原邊電流,電流減小至0.電感Lp充電時(shí)間為:

        tcharge=DT

        (12)

        電流復(fù)位時(shí)間為:

        (13)

        式(13)中:ipmax為:

        (14)

        該電路工作在斷續(xù)狀態(tài)下的條件是電流上升時(shí)間與復(fù)位時(shí)間小于T/2.即

        (15)

        因?yàn)殡娐饭ぷ髟跀嗬m(xù)狀態(tài)下,副邊整流環(huán)節(jié)不存在短路現(xiàn)象,所以二極管不會(huì)反向恢復(fù),從而降低電路損耗.整流二極管兩端的電壓由輸出電壓決定,從而可降低輸出整流二極管的電壓定額,并且不需要添加RCD吸收電路,可以節(jié)約電路成本,以及節(jié)省大電感所占空間,提高功率密度.要使系統(tǒng)工作在連續(xù)狀態(tài)下時(shí),可以使所有開(kāi)關(guān)器件實(shí)現(xiàn)ZVS,但與此同時(shí)會(huì)引起整流二極管的反向恢復(fù)與高壓振鈴,這樣就需要增加諧振電感和減小變壓器變比,從而需要選擇反向耐壓高的整流二極管,以及外加RCD吸收電路.因此,該電路拓?fù)湓O(shè)計(jì)應(yīng)用于對(duì)電流紋波要求不高的應(yīng)用場(chǎng)合.

        3.2 輸入輸出關(guān)系

        實(shí)際電路的輸入輸出電壓關(guān)系與實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的走線、布局所產(chǎn)生的寄生參數(shù)、元器件的壓降等都有一定的關(guān)系.對(duì)于理想電路,可以先忽略寄生參數(shù)、元器件的壓降對(duì)輸出的影響,當(dāng)該電路在斷續(xù)狀態(tài)下運(yùn)行時(shí),可推導(dǎo)Vo與Vin之間的關(guān)系為:

        (16)

        其中,

        (17)

        3.3 Q1和Q2的軟開(kāi)關(guān)

        由于存在C1和C2,限制了Q1的d、s兩端電壓的增長(zhǎng)速率,使得Q1是ZVS關(guān)斷.又因變壓器原邊有漏感的存在,電感量足夠提供C1、C2的能量交換時(shí)所需要的能量,即

        (18)

        以Q2為例,在D2自然導(dǎo)通之后才開(kāi)通,因此可 實(shí)現(xiàn)ZVS開(kāi)通.

        3.4 Q3和Q4的軟開(kāi)關(guān)

        Q3、Q4開(kāi)通時(shí),由于Lp的存在,限制了原邊電流的變化速率,使得ip從0緩慢增長(zhǎng),因此Q1、Q3可以零電流開(kāi)通.減小Q3、Q4驅(qū)動(dòng)電阻,使得開(kāi)關(guān)管開(kāi)通變快,可以進(jìn)一步降低導(dǎo)通損耗.關(guān)斷時(shí),由副邊反射到原邊的電壓足以使電流復(fù)位到0,即

        (19)

        Q3、Q4是在原邊電流復(fù)位到0之后才關(guān)斷,因此它們可以實(shí)現(xiàn)零電流關(guān)斷.

        4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

        搭建實(shí)際硬件電路如圖4所示.該變換器設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示.

        圖4 500 W原理樣機(jī)

        表1 設(shè)計(jì)參數(shù)

        圖5所示為150 V時(shí)實(shí)際變壓器原邊電壓和原邊電流波形,原邊電流的變化率由電感量的大小決定,實(shí)際波形與理論相符.

        圖5 變壓器原邊電壓波形和原邊電流波形

        圖6所示為150 V時(shí)實(shí)際變壓器副邊電壓和原邊電流波形.從圖中可以看出電流復(fù)位是由變壓器副邊電壓反射到原邊,導(dǎo)致電流復(fù)位至0.

        圖6 變壓器副邊電壓波形和原邊電流波形

        圖7所示為150 V時(shí)實(shí)際整流二極管D5電壓、電流波形,其中電流無(wú)反向恢復(fù).

        圖7 整流二極管電壓、電流波形

        圖8為150 V時(shí)Q1的漏極和源極之間的電壓與電流以及柵極和源極之間的電壓.從圖中可以看出,Q1實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)通與零電壓關(guān)斷.

        圖8 Q1的vds、vgs和ip

        圖9為150 V時(shí)Q4的漏極和源極之間的電壓與電流以及柵極和源極之間的電壓.從圖中可以看出,Q4實(shí)現(xiàn)零電流開(kāi)通與零電流關(guān)斷.

        圖9 Q4的vds、vgs和ip

        圖10所示的是相同輸入輸出電壓(輸入電壓:300 V,輸出電壓:150 V)情況下,不同負(fù)載的效率曲線.從圖中可以看出,不同負(fù)載效率都可達(dá)94%以上.

        圖10 效率曲線

        5 結(jié)論

        本文提出一種新型容性整流移相全橋變換器.文中分析了電路的基本工作原理和特性,并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該電路工作原理正確,可以正常工作.該電路具有如下特點(diǎn):全部開(kāi)關(guān)器件實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān);輸出整流器兩端的電壓等于輸出電壓;整流二極管的電流具有較低的電流變換率,有助于減小反向恢復(fù)損耗甚至無(wú)反向恢復(fù),可實(shí)現(xiàn)零電流開(kāi)通.

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