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        移相全橋變換器的研究及應用

        2021-06-17 07:42:04王凡賀永玲胡叨福
        電子制作 2021年11期
        關鍵詞:移相匝數(shù)全橋

        王凡,賀永玲,胡叨福

        (珠海格力電器股份有限公司,廣東珠海,519070)

        0 引言

        隨著工業(yè)化的發(fā)展,大量的DC/DC變換器被應用于各種場合,用于給直流負載供電。盡管大力提倡節(jié)能、減排,但如今設備功耗、發(fā)熱和冷卻功率卻有所增加,所以對開關電源的效率、成本、功率密度等提出了更高的要求。本文采用ZVS移相全橋方案,研制了一款400~800 V輸入,300 V/2 A輸出的600 W開關電源樣機。

        1 移相全橋ZVS工作原理

        ■1.1 基本工作原理

        ZVS移相全橋變換器是利用串聯(lián)諧振電感和開關管并聯(lián)電容進行諧振,來實現(xiàn)開關管的零電壓開通,降低開關損耗。

        圖1為移相全橋變換器拓撲圖,其中Q1~Q4為4個功率開關管,C1~C4為4個開關管的寄生電容(或外接電容),D1~D4為4個開關管的寄生二極管,Lr為串聯(lián)諧振電感,T1為變壓器,VD1~VD4為副邊整流二極管,LO為輸出濾波電感,CO為輸出濾波電容,RL為負載電阻?;パa驅(qū)動的Q1和Q3組成滯后橋臂,互補驅(qū)動的Q2和Q4組成超前橋臂。

        圖1 主電路拓撲

        圖2為峰值電流模式的ZVS移相全橋工作波形,其工作原理是通過調(diào)節(jié)兩橋臂之間的相位角,來調(diào)節(jié)有效占空比的大小,實現(xiàn)輸出。

        ■1.2 兩橋臂ZVS的實現(xiàn)條件

        要實現(xiàn)開關管的零電壓開通必須滿足以下條件:有足夠的能量抽完將要開通的開關管并聯(lián)電容上的電荷,并給同一橋臂的另一個開關管的并聯(lián)電容充滿電,同時抽走變壓器原邊寄生電容CTPR上的電荷,即滿足以下條件:

        其中Ci為開關管的并聯(lián)電容,Vin為輸入電壓。

        圖2 移相全橋工作波形

        超前橋臂實現(xiàn)ZVS:如圖2所示,t1時刻,開關管Q2關斷,切斷了電源輸入供電通路,由于電感電流不會突變,原邊維持iP續(xù)流,副邊維持iVD1續(xù)流,此時輸出濾波電感參與原邊諧振,即Lr和n2LO共同參與串聯(lián)諧振,進行電容的充放電,取C1=C2=C3=C4=Ci,則超前橋臂軟開關實現(xiàn)條件為:

        滯后橋臂實現(xiàn)ZVS:如圖2所示,t3時刻,開關管Q3關斷,切斷了續(xù)流通路,此時C3充電,UBA變?yōu)樨摌O性,此時副邊電流iVD1、iVD4迅速減小,iVD2、iVD3迅速增加,在電流降iVD1、iVD4為零之前,4個整流二極管保持導通,變壓器副邊電壓被鉗位到低電平,近似為短路,此時只有Lr參與原邊串聯(lián)諧振,軟開關實現(xiàn)條件為:

        由于滯后橋臂諧振時的近似電感電流源的能量遠遠小于超前橋臂,所有滯后橋臂ZVS更加難實現(xiàn):

        故一般采用增大諧振電感Lr的方法來實現(xiàn)滯后橋臂的軟開關。

        ■1.3 占空比丟失

        在零電壓移相全橋變換器中,占空比丟失是一個不可忽視的問題。占空比丟失是指的副邊有效占空比DS小于原邊輸入中間電壓UAB的占空比DP,其差值就是占空比丟失Dloss,圖2中US陰影部分為占空比丟失:

        占空比丟失的原因:如圖2,在t3~t5時間里,原邊電流由正向變?yōu)樨撓颍谶@段時間里,副邊被鉗位到近似為零的低電平,這就導致了副邊占空比丟失,即:

        TS為工作周期。

        并且:

        則占空比丟失為:

        且近似iVD2(t5)≈I1,則:

        從式(8)(9)可以看出:諧振電感Lr越大,占空比丟失Dloss越大;輸入電壓Vin越低,占空比丟失Dloss越大;負載越大,占空比丟失Dloss越大。

        由式(10)可知,保證在占空比丟失的情況下依舊輸出目標電壓,需減小變壓器原副邊匝比,結(jié)果導致原邊電流增加,同時增加了原邊功率管的導通損耗,并且還會增加副邊整流二極管的反向耐壓。

        2 關鍵參數(shù)設計

        ■2.1 設計指標

        針對需求設計了一款一款400~800 V輸入,300 V/2 A輸出的600 W開關電源樣機。

        ■2.2 變壓器

        變壓器選擇鐵氧體材質(zhì)磁芯,工作頻率fS=60 kHz,最大占空比Dmax=0.85。

        跟進下面公式計算出原、副邊匝比:

        Vdson為原邊MOS管導通壓降;VVD為副邊整流二極管導通壓降。得出n=1.06。

        然后計算出原、副邊匝數(shù)。

        原邊匝數(shù)NP為:

        Bm為磁芯工作的最大磁擺幅;Ae為磁芯的有效截面積。

        副邊匝數(shù)NS為:

        根據(jù)常規(guī)AP法選擇PQ35/35的磁芯,其Ae=1.96 cm2,并且Bm=0.15 T,則變壓器原邊匝數(shù)NP=44匝,副邊匝數(shù)NS=42匝。根據(jù)紋波電流、穿透深度、損耗等來選擇合適的繞組和氣隙,并且可以保證電感量不變的情況下,同比增大一點匝數(shù)。

        ■2.3 輸出濾波電感

        紋波系數(shù)取0.3,則紋波電流ΔIO=0.6 A。

        工作在CCM模式,則Lm=2.3 mH,考慮電源實際工作情況及體積,取1 mH。

        ■2.4 軟開關與占空比丟失

        由式(2)(3)(4)可知,滯后橋臂更難實現(xiàn)軟開關,故根據(jù)滯后橋臂實現(xiàn)來選擇諧振電感:

        考慮功率管的寄生參數(shù)以及變壓器的漏感LTPR和寄生電容,故取Lr=70 μH。在此條件下,根據(jù)式(8)(9)(15)理論計算得出:①當600 V輸入、滿載時,滯后橋臂剛好實現(xiàn)軟開關;②當400 V輸入低壓滿載時,Dloss≈8.4%;③800 V輸入滿載時,占空比丟失Dloss≈4.2%。由此看出,諧振電感增大,更容易實現(xiàn)軟開關,但是占空比丟失會變得更大,故要綜合考慮軟開關的實現(xiàn)與占空比丟失。

        3 樣機與實驗結(jié)果

        ■3.1 主要工作波形測試

        圖3和圖4中,1通道為中間電壓UBA,2通道為變壓器原邊端電壓UP,3通道為原邊電流。

        ■3.2 軟開關測試

        對滯后橋臂和超前橋臂分別進行了軟開關測試。

        圖5為550 V輸入、滿載2 A時滯后橋臂Q4的工作波形,1通道為Q4的漏源極電壓波形,2通道為Q4的柵極驅(qū)動電壓,可以看出此時滯后橋臂剛好實現(xiàn)實現(xiàn)零電壓開通。

        圖3 400V輸入、滿載

        圖4 800V輸入、滿載

        圖5 550V輸入、滿載

        圖6 750 V輸入、0.8A負載

        圖7 400V輸入滿載

        圖8 800V輸入、滿載

        圖6為750 V輸入,0.8 A負載時超前橋臂Q3的工作波形,可以看出此時Q3處于完全零電壓開通。

        以上測試可以看出超前橋臂實現(xiàn)軟開關比滯后橋臂容易的多。

        ■3.3 占空比丟失測試

        對于占空比丟失,主要測量中間電壓UAB和變壓器原邊端電壓,其差值為占空比丟失的大小。

        圖7測得占空比丟失為7.25%。圖8測得占空比丟失為3.75%。

        4 結(jié)束語

        本文針對需求設計了一款開關電源樣機。針對其高壓、小電流的特點,著重分析驗證了諧振電感對于軟開關的實現(xiàn)和占空比丟失的影響。由樣機測試可看出,其雖然實現(xiàn)了功率管的軟開關,但由于原邊電流過小,導致其軟開關實現(xiàn)困難,同時依舊存在較大占空比丟失。所以在此高壓、小電流場合,用普通移相全橋拓撲并非最合適。所以為保證其良好的性能,須采取額外的措施,如諧振電感改為飽和電感、增加隔直電容等。

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