ZVS 軟開關(guān)直流推挽拓?fù)渚C述
2021-10-08 00:51:12屈誠(chéng)志
科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2021年27期
張 釗，屈誠(chéng)志，姜 月，解 冀
（上?？臻g電源研究所，上海 201100）
隨著直流開關(guān)電源技術(shù)的不斷發(fā)展，根據(jù)幾種基本拓?fù)浒l(fā)展出了豐富的新型衍生電路。按照是否有電氣隔離可以將直流變換器分成兩類，一類是沒(méi)有變壓器隔離的非隔離型直流變換器，另一類是有變壓器隔離的隔離型直流變換器。多種電源拓?fù)溆懈髯缘膽?yīng)用場(chǎng)合和限制條件，某些拓?fù)湓谝欢ǔ潭壬嫌钟惺褂梅秶系慕徊妗?/p>
小型化和模塊化是當(dāng)前直流開關(guān)電源的重要發(fā)展方向，而高頻化又是變換器小型化的基礎(chǔ)。軟開關(guān)技術(shù)可以降低開關(guān)器件的開關(guān)損耗，有效提升高頻直流變換器的效率，減小了器件發(fā)熱和電磁干擾，是當(dāng)前開關(guān)電源技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，具有重要的實(shí)際意義和研究?jī)r(jià)值。
推挽電路具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適用于中等功率場(chǎng)合的優(yōu)點(diǎn)，但其軟開關(guān)技術(shù)對(duì)于移相全橋研究較少，本文將介紹幾種基本隔離型拓?fù)涞膽?yīng)用場(chǎng)合，分析ZVS 軟開關(guān)的種類和原理，根據(jù)目前推挽軟開關(guān)電路中開關(guān)管的數(shù)量分類，對(duì)兩管ZVS 推挽拓?fù)?、三管ZVS 推挽拓?fù)浜退墓躗VS 推挽拓?fù)溥M(jìn)行簡(jiǎn)要分析。
1 隔離型拓?fù)鋺?yīng)用場(chǎng)合
隔離型直流變換器通常采用變壓器隔離，其本身也具有變壓功能，使直流變換器擁有寬泛的輸入和輸出電壓變換范圍。與非隔離型相比，變壓器的應(yīng)用便于實(shí)現(xiàn)多路不同電壓或相同電壓輸出。
在設(shè)計(jì)直流開關(guān)電源時(shí)，要選擇與需求功率等級(jí)匹配的拓?fù)?，并根?jù)電壓應(yīng)力和電流應(yīng)力選擇開關(guān)管規(guī)格。目前正激、反激、推挽、半橋和全橋是比較常見的五種隔離型開關(guān)電源拓?fù)洌鼈兊囊恍┻m用范圍和特性如表1所示。
表1 隔離型拓?fù)涮匦员容^
從開關(guān)管的電壓應(yīng)力和電流應(yīng)力上看，全橋拓?fù)渚哂忻黠@的優(yōu)勢(shì)，其電壓應(yīng)力是一倍輸入電壓峰值，小于正激、反激和推挽拓?fù)涞膬杀斗逯?，這說(shuō)明使用相同的開關(guān)管，全橋拓?fù)淇梢猿惺芨叩妮斎腚妷海仆斓韧負(fù)溥m用于輸入電壓較小的情況。另一方面，提高了耐壓水平且提升了功率等級(jí)的全橋拓?fù)涫褂玫拈_關(guān)管數(shù)量也多于中小功率拓?fù)洌乖O(shè)計(jì)出的產(chǎn)品體積和質(zhì)量較大。所以，在主功率拓?fù)渲虚_關(guān)管種類確定時(shí)，變換器的輸出功率通常與所用開關(guān)管數(shù)量成正比。
五種基本隔離型直流電源拓?fù)涞墓β实燃?jí)如圖1 所示。主功率拓?fù)涞倪x擇在小功率、中功率和大功率交界區(qū)域有一定寬泛性，尤其對(duì)適合于中功率場(chǎng)合的推挽電路來(lái)說(shuō)，在中小功率領(lǐng)域和中大功率領(lǐng)域也有廣泛應(yīng)用。
圖1 基本隔離型直流電源拓?fù)涔β实燃?jí)示意圖
除了考慮主拓?fù)涞墓β实燃?jí)和功率開關(guān)管的電壓電流需求，在選擇拓?fù)鋾r(shí)還要考慮到其固有特性，例如正激電路雖然電路簡(jiǎn)單，但是需要磁復(fù)位電路；推挽電路開關(guān)互補(bǔ)導(dǎo)通，時(shí)間利用率高的同時(shí)，也產(chǎn)生了變壓器偏磁的問(wèn)題；全橋電路容易達(dá)到大功率等級(jí)，代價(jià)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜和成本較高。
2 軟開關(guān)技術(shù)原理
當(dāng)前使用的功率開關(guān)管并不是理想器件，在開關(guān)管開通時(shí)，電壓和電流不能突變，需要一段時(shí)間的減小和增加；在開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，電壓和電流也需要一段時(shí)間增加和減小。這段時(shí)間里，電壓和電流在交疊區(qū)中產(chǎn)生了開關(guān)損耗，其原理示意圖如圖2 所示。一般情況下一個(gè)周期內(nèi)開關(guān)管的開關(guān)損耗只與其本身性質(zhì)有關(guān)，可以視作一個(gè)恒定的值，因此，直流變換器的總開關(guān)損耗與開關(guān)頻率成正比。
圖2 硬開關(guān)的開關(guān)過(guò)程
開關(guān)損耗可以使變換器的效率降低，這直接限制了開關(guān)頻率的提升，從而限制了變換器的小型化。為了在滿足變換器效率的前提下提升開關(guān)頻率，軟開關(guān)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。軟開關(guān)的基本原理是使功率器件在開通（或關(guān)斷）時(shí)電壓電流沒(méi)有交疊或交疊區(qū)域盡可能減小，其原理示意圖如圖3 所示。
圖3 軟開關(guān)的開關(guān)過(guò)程
20 世紀(jì)70 年代出現(xiàn)了串聯(lián)和并聯(lián)諧振軟開關(guān)，隨后80 年代準(zhǔn)諧振和多諧振軟開關(guān)的誕生使得軟開關(guān)技術(shù)豐富多彩起來(lái)，零電流脈寬調(diào)制技術(shù)（ZCS）PWM、零電壓脈寬調(diào)制技術(shù)（ZVS）PWM 和移相全橋ZVS 技術(shù)也在這個(gè)時(shí)代問(wèn)世，到90 年代時(shí)，零電流轉(zhuǎn)換（ZCT）PWM、零電壓轉(zhuǎn)換（ZVT）PWM 和移相全橋ZVZCS 技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。
ZVS 零電壓開關(guān)和ZCS 零電流開關(guān)是直流變換器軟開關(guān)的兩個(gè)方向，功率場(chǎng)效應(yīng)管（MOSFET）有較大的寄生電容，適合采用ZVS 方案。開通前可以放掉寄生電容在關(guān)斷時(shí)積攢的電荷，減少容性開通損耗。絕緣柵雙極性晶體管（IGBT）在關(guān)斷時(shí)會(huì)有電流拖尾，采用ZCS 方案可以使開關(guān)管在關(guān)斷前電流下降為零，降低關(guān)斷損耗。諧振類型的軟開關(guān)是通過(guò)電感和電容諧振，讓本該交疊的電壓電流分開，下面通過(guò)對(duì)ZVS 準(zhǔn)諧振軟開關(guān)進(jìn)行介紹來(lái)更直觀地說(shuō)明軟開關(guān)的實(shí)現(xiàn)路線。
圖4 給出了M 型和L 型ZVS 諧振軟開關(guān)的基本模塊，它們的原理是相同的。當(dāng)開關(guān)管S1導(dǎo)通時(shí)，諧振電容Cr兩端電壓為零；當(dāng)開關(guān)管S1關(guān)斷時(shí)，諧振電容Cr充電使S1兩端電壓上升延遲，從而完成S1的零電壓關(guān)斷；當(dāng)開關(guān)管S1開通時(shí)，諧振電感Lr和諧振電容Cr諧振，使得諧振電容Cr的電壓下降到零，從而完成S1的零電壓開通。
圖4 零電壓諧振開關(guān)
3 推挽軟開關(guān)拓?fù)浞诸?/h2>
在直流變換器的軟開關(guān)技術(shù)探索中，涌現(xiàn)了種類繁多的推挽軟開關(guān)拓?fù)?。伴隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)的不斷推進(jìn)，推挽拓?fù)洳粌H在全諧振、準(zhǔn)諧振和多諧振這三種諧振型變換器領(lǐng)域得到應(yīng)用，還出現(xiàn)了推挽零開關(guān)PWM變換器和推挽零轉(zhuǎn)換PWM 變換器。
其中三種基本諧振型變換器有著很大的缺陷或者限制條件，為了保持輸出電壓的穩(wěn)定性，諧振、準(zhǔn)諧振和多諧振變換器需要調(diào)整頻率，這導(dǎo)致濾波模塊和變壓器的設(shè)計(jì)難度加大，零開關(guān)PWM 和零轉(zhuǎn)換PWM 通過(guò)增加輔助開關(guān)管的方法實(shí)現(xiàn)了定頻調(diào)寬的軟開關(guān)控制方案。面對(duì)當(dāng)前眾多推挽軟開關(guān)設(shè)計(jì)方案，本文使用輔助開關(guān)管數(shù)量為分類標(biāo)準(zhǔn)，介紹三種推挽軟開關(guān)拓?fù)洌簺](méi)有使用輔助開關(guān)管的雙管推挽ZVS 拓?fù)?；使用一個(gè)輔助開關(guān)管的三管推挽ZVS 拓?fù)洌皇褂脙蓚€(gè)輔助開關(guān)管的四管推挽ZVS 拓?fù)洹?/p>
3.1 雙管推挽ZVS 拓?fù)?/h3>
雙管推挽ZVS 拓?fù)涫峭仆祀娐纷钤缡褂玫能涢_關(guān)方法，可以實(shí)現(xiàn)降低開關(guān)損耗的目標(biāo)，但是面臨輸出電壓在固定頻率不可調(diào)的問(wèn)題，采用頻率控制方法也不利于磁元件的優(yōu)化。此類拓?fù)渲饕譃樽儔浩髟呏C振和變壓器副邊諧振兩種，根據(jù)這兩種基本思路出現(xiàn)了眾多改進(jìn)和衍生型拓?fù)洌妶D5。
圖5 兩管推挽ZVS 拓?fù)?/p>
副邊LC 諧振型推挽拓?fù)涫歉鶕?jù)Ryan M.J.等人提出的副邊LCL 推挽拓?fù)涓倪M(jìn)形成的，Boonyaroonate I.等人將諧振電容Cr提至全橋整流電路前端，與諧振電感Lr串聯(lián)，成功解決了因諧振電感在輸出端造成的輸出電壓受諧振電流波動(dòng)影響的問(wèn)題。原邊LC 諧振型推挽拓?fù)涫茿rulselvil S.等人為了有效利用MOSFET 開關(guān)管的結(jié)電容設(shè)計(jì)的，與副邊LC 諧振型相比，兩個(gè)開關(guān)管使用了兩個(gè)諧振電感和諧振電容，使電路多了一個(gè)諧振電感元件。還有一些學(xué)者提出了增加無(wú)源器件數(shù)量的原邊或副邊LLC 推挽諧振拓?fù)洌赃M(jìn)一步提高增益或減小開關(guān)管應(yīng)力，在文獻(xiàn)[3]中有詳盡的介紹。
3.2 三管推挽ZVS 拓?fù)?/h3>
為了可以使變換器在恒定頻率下實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)功能，有學(xué)者通過(guò)在電路中增加輔助開關(guān)管的方法，設(shè)計(jì)出了三管推挽ZVS 拓?fù)?。圖6 中S1和S2是主開關(guān)管，S3位于輸入干路上是輔助開關(guān)管，三個(gè)開關(guān)管采用PWM 控制方法。拓?fù)溆袃深愔C振環(huán)節(jié)，一類是濾波電感Lf與電容C3和其中一個(gè)主開關(guān)管的并聯(lián)電容諧振，可以實(shí)現(xiàn)主開關(guān)S1和S2的ZVS 開通；另一類是變壓器的漏感與電容C3和其中一個(gè)主開關(guān)管的并聯(lián)電容諧振，可以實(shí)現(xiàn)輔助開關(guān)管C3的ZVS 開通。
圖6 三管推挽ZVS 拓?fù)?/p>
此類三管推挽ZVS 拓?fù)洳粌H可以實(shí)現(xiàn)主開關(guān)管的零電壓開關(guān)，也可以實(shí)現(xiàn)輔助開關(guān)管的零電壓開關(guān)，三個(gè)開關(guān)管零電壓關(guān)斷的三個(gè)諧振區(qū)間是圖7 中的t1～t2、t3～t4和t5～t6，這三個(gè)諧振區(qū)間位于三個(gè)開關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)之間的死區(qū)上，時(shí)間長(zhǎng)度大概是開關(guān)周期的1/10，對(duì)整個(gè)變換器影響不大。原理與移相全橋軟開關(guān)相似，S1和S2是超前臂開關(guān)管，S3是滯后臂開關(guān)管。
圖7 三管推挽開關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)
針對(duì)輔助開關(guān)管ZVS 負(fù)載范圍小的問(wèn)題，文獻(xiàn)[6]中對(duì)此類拓?fù)溥M(jìn)行了優(yōu)化，通過(guò)在輔助開關(guān)管兩端并聯(lián)LC電路或在變壓器副邊串聯(lián)飽和電感，增加輔助開關(guān)管ZVS 范圍，使其對(duì)變壓器的漏感大小依賴度降低。
3.3 四管推挽ZVS 拓?fù)?/h3>
雖然有一些提升三管推挽ZVS 輔助開關(guān)管負(fù)載范圍的方案，但是在輔助開關(guān)管兩端并聯(lián)LC 電路會(huì)增加環(huán)流階段的導(dǎo)通損耗，在變壓器副邊串聯(lián)飽和電感也有電感發(fā)熱嚴(yán)重的問(wèn)題。文獻(xiàn)[7]提出了一種使用兩個(gè)輔助開關(guān)管的三電平ZVS 脈寬調(diào)制拓?fù)?，它不僅可以實(shí)現(xiàn)ZVS 軟開關(guān)，還有效地改變了推挽電路中開關(guān)管承受二倍輸入電壓的狀態(tài)。
如圖8 所示，三電平四管推挽ZVS 拓?fù)浣梃b中點(diǎn)箝位（neutral point clamped，NPC）的思想，使用兩個(gè)開關(guān)管串聯(lián)在一起在功能和結(jié)構(gòu)上代替一個(gè)開關(guān)管，兩個(gè)開關(guān)管電壓應(yīng)力相同，都為一倍輸入電壓。使用這種方法不僅可以推導(dǎo)出三電平推挽ZVS 拓?fù)洌€可以應(yīng)用在其他的變換器設(shè)計(jì)中，解決同類問(wèn)題。
圖8 四管推挽ZVS 拓?fù)?/p>
與移相全橋拓?fù)涫窒嗨?，使用了四個(gè)開關(guān)管的三電平推挽ZVS 拓?fù)湟彩褂昧艘葡嗫刂品桨?，S1和S4是超前臂開關(guān)管，S2和S3是滯后臂開關(guān)管。在ZVS 軟開關(guān)的設(shè)計(jì)上也充分利用了開關(guān)管的寄生電容和變壓器漏感，諧振電感Lr實(shí)現(xiàn)了滯后臂開關(guān)管寬負(fù)載范圍ZVS 的目標(biāo)。值得一提的是，上下兩個(gè)漏感繞組電壓大小相同，所以電流變化率也相同。當(dāng)一個(gè)繞組電流下降時(shí)，另一個(gè)繞組電流就會(huì)同速率上升，也就是說(shuō)一個(gè)漏感繞組通過(guò)電容Clink向另外一個(gè)漏感繞組傳輸能量，有了更多能量的漏感繞組使滯后臂開關(guān)管更容易達(dá)到ZVS 的目標(biāo)。
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