一种新的移相全桥零电压开关PWM变换器
匝毪电凉技术
2010年1月25日第27卷第1期
TelecomPowerTechnology
Jan.25,2010,VoL27No.1
文章编号:1009-3664(2010)01—0001-03
一种新的移相全桥零电压开关PWM变换器
杨幼松,申群太
(中南大学信息科学与工程学院,湖南长沙410083)
摘要:对于移相全桥零电压开关PWM变换器,在全负载范围内实现所有开关器件零电压开关和减少占空比丢失之间是矛盾的。如果在电路中增加一个辅助电路,根据负载情况在续流期间为滞后桥臂的零电压开关提供能量,能在全负载范围内实现所有开关器件的零电压开关和减少占空比丢失,但电路中存在严重的环流问题。文中提出新的拓扑结构通过增加一个双向开关和相应的驱动电路,有效地减少了环流带来的损耗。实例分析和仿真验证了这种拓扑的优点。
关键词:移相全桥;环流;零电压开关;占空比丢失中图分类号:TN86。TM46
文献标识码:A
ANewPhase-ShiftFull-BridgeZero-Voltage-Switching
YANGYou-song,SHENQun-tai
PWM
Converter
(InstituteofInformationScienceandEngineering,Centt-alSouthUniversity,Changsha410083,China)Abstract:ItisconflictedbetweenachievingZVSofallswitchesin
an
extendedloadandreducinglOSSofthedutycy-
can
cleinthephase-shiftfulbbridgeZVSPWMconverter.Thelossofthedutycycle
in
an
be
reducedandZVSofallswitches
thereis
a
extended10ad
current
can
beachievedbyprovidingenergyforZVSaccording
tOtheloadlevel.whereasserious
circulating
adding
a
probleminthecircuit.Theproposedtopologyinthispaperreducesthecirculatinglosseffectivelyby
bidirectionalswitchandrelateddrivecircuit.Caseanalysisandsimulationresultvalidatetheadvantagesofthis
topology.
Key
words:phase-shiftfull-bridgeconverter;circulating
current;zero
voltageswitching;dutycyclelOSS
1概述
移相全桥零电压开关(ZVS)PWM变换器已广泛
不仅减少了占空比丢失和抑制了输出整流管上的电压尖峰和电压振荡,且能在更宽的负载范围内实现所有开关管的ZVS。文献10提出了一种新的移相全桥变
应用于大功率开关电源中,它保持了准谐振电路开关
损耗小、工作于固定开关频率的优点,且与普通硬开关
换器拓扑结构(如图1)。该拓扑结构锯决了硬开关全
桥电路输出整流管上存在电压尖峰和电压振荡的问
全桥电路相比,仅增加了一个谐振电感。在换流时利用谐振实现开关器件的ZVS,消除了开关损耗,提高了电路效率,使电路能工作在更高的频率[3]。
移相全桥ZVSPWM变换器只能在有限的负载
范围内实现所有开关器件的ZVS。要在大的负载范
题,减少了占空比丢失,能在全负载范围内实现所有开关器件的ZVS,并能根据负载情况自动调节由辅助电路供给的能量。但存在如下缺点:在续流期间,电路中环流非常大,损耗严重,降低了变换器效率。
本文提出的拓扑结构在文献10中电路拓扑结构的基础上进行了一些改进,最大程度减轻了存在的环
流问题。
围内实现所有开关器件的撕S,可在变压器原边串联
一个大电感,或增加变压器漏感,或外接一个电感E7-93。
电感的增加对变换器性能有相当大的影响,会引起占
空比的丢失。同时,输出整流管存在反向恢复过程,在输出整流管上产生电压尖峰和电压振荡[4]。
在变压器副边加无源RCD缓冲器E5]或在原边加两个箝位二极管和一个谐振电感[6]可解决副边整流管上存在的电压振荡,但都无法解决占空比丢失的问题。国内外学者提出了一些电路拓扑,利用储存在辅助电路电感中的能量来实现原边所有开关管的ZVS,
R
收稿日期:200%10-05
作者简介:杨幼松(1984-),男,湖南湘乡人,中南大学信息科学与工程学院研究生,主要从事电力电子与电力传动的研究。
申群太(1944-),男,湖南衡阳人,教授,博士生导师,研究领域为复杂工业过程的控制与决策。
图1文献10提出身勺移相全桥变换器拓扑
万方数据
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Jam25,2010,V01.27No.1
2改进后的拓扑结构介绍
2.1与原电路拓扑结构的比较
改进后的拓扑结构如图2所示。与原电路拓扑结
构的不同之处:在变压器TRA与变压器TR的连线上加
了一个双向开关Q1和相应的驱动电路。
图2改进后的移相全桥变换器拓扑
控制电路根据检测到的负载电流的大小做出相应
的决策:
(1)当负载电流大于滞后桥臂实现ZVS所要求的
值时,不会控制双向开关Q,导通。D5和D6不会在续流期间导通,避免不必要的能量损耗。
(2)当负载电流小于滞后桥臂实现ZVS所要求的
值时,将根据负载电流与滞后桥臂实现ZVS所要求的
值之间的差值,计算出双向开关Q1导通的时间,使LP
中电流在滞后桥臂开通之前增加到使滞后桥臂实现
ZvS所需的值,避免LP中的电流过大而引起过多的损
耗。
相比于原电路拓扑结构,改进后的电路拓扑结构有如下优点:
(1)结构简单,仅增加一个双向开关和相应的驱动
电路,保留了原拓扑结构的所有优点。
(2)负载电流大于滞后桥臂实现ZVS所要求的值时,电源将不会通过TRA的原边向TR的原边注入能量
来增加LP中的电流,减少了续流期间的环流损耗。
(3)负载电流小于滞后桥臂实现ZVS所要求的值
时,在控制电路的作用下,电源将不会在超前桥臂实现ZVS关断后就立即通过TRA原边向TR原边注入能量
来增加I廿中的电流,避免将I廿中的电流增加到超过滞后桥臂实现ZVS所要求的值,减少了能量的损耗。2.2工作过程分析
除续流期间外,改进后的拓扑结构与原拓扑结构的工作过程完全相同,工作波形见图3。在此只着重
介绍不同部分(以ts~£¨时间段为例),相同部分的介
绍见文献10。
负载电流大于滞后桥臂实现ZVS所要求的值时,
两个拓扑的工作波形相同,所以图3是负载电流小于
2‘
万方数据
滞后桥臂实现ZVS所要求的值时电路的工作波形图。
下面着重分析t5~£¨时间段内电路的工作过程:ts之前:从t。开始,St、S4导通,电源电压经S,、s4加到变压器TR原边,能量从电源流向负载。
t;~£。:t;时刻,S,关断,因C,的存在,S,为零电压关断。此时D4仍是导通的,所以谐振电路包含LP、TRA、Ct、G、TR、Lf和Cf。谐振过程进行到t。时,C,上
的电压为【,-n,C2上的电压为0,D2导通,将S2的电压箝位在0,谐振过程结束。之后,可实现S2的零电压开通。
t。~£,:在此期间,在LP的作用下,原边电流在D2、LP、TRA、TR、s4组成的回路中续流,直到£,时刻,双向开关Q.导通。
t,~£s:t7时刻,因双向开关Q,导通,TRA原边的电
压为Ui。/2,副边电压Ui。=砜/2n。。因D6的存在,LP
上的电压降为U2,LP中的电流以U2/Lp的斜率增加,
并一直持续到t。。t,时刻根据检测到的负载电流的大
小由控制器计算确定,保证在t。时刻LP中的电流正好达到滞后桥臂实现ZVS所要求的值。。H||||||||||||
||
t。~£。:t。时刻,s4关断,同样由于C4的存在,S4能实现零电压关断。谐振电路包含LP、TRA、D2、C3、C4。在t。时刻,C3上的电压为零,C4上的电压为Ui。。因功
的箝位作用,谐振过程在t。时刻结束。S可实现零电
压开通。
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一种新的移相全桥零电压开关PWM变换器
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杨幼松等:一种新的移相全桥Teleeom
Power
Technology
至皇垦茎差!竺型銮垫堡!呈兰垄:垫!!:兰!!Z翌竺:!
TR的次级处于续流状态,其两端电压为零,LP承受反
向电压U讯,其电流朝反方向变化。在£m时过零,在t,,
时反向增大到J。/行。此时,TR次级才退出续流状态,初级两端电压才升高至Um在此期间,TR并不输出电压,即发生所谓的占空比丢失现象。
3改进后电路的效率分析
改进后的拓扑结构与文献10中所述结构的不同
之处在于续流期间的工作过程,其优点也完全体现在
这一阶段。
而时,S,~s4才能都实现ZVSm。在选择适当的
如不采取任何措施,那只有在负载电流J。≥,2U
LP值保证St~s4能在全负载范围内实现ZVS的前提
下,下面将讨论两种变换器在每个周期的续流期间的
功耗。
假设变换器的工作周期为T,最大占空比为0.8,
工作电流为0~J一。那当负载电流为L时,占空比D=0.81。/j一,每个周期内工作时间为DT,无效时
间为t’=(1一D)T,其中包括占空比丢失时间At=2
×丽2io/n=筹靠。续流时间z”=£’一Af。另外,超前
和滞后桥臂换流时,谐振时间At,=(zr/2)/LC。3.1原变换器在一个续流期间(岛~岛)内的功耗
续流期间LP中流过的最大电流为
.
一蠢.U2(i’一At。)
n'一一卵’EP
2在t,~z¨期间,电流在D2、S4和D6中流动,在耽上产生的损耗为
二
.口
W如2ilOuTT‰虿l
在s4上产生的损耗为
岷2吉(詈+it~)u‰专
在D6上产生的损耗为
wD6
2丢(ik一鲁)U【胁号
总的损耗功率为
D
一%+wS4+wD6
1损一T/2
3.2改进后的变换器在一个续流期间(ts—t。)内的功
耗
当L≥,zU|m√C/L时,在t;~t,期间,电流只在D2、S4中流动。
在D2上产生的损耗为
%2詈‰。号
;
;
在S4上产生的损耗为眠2詈魄。号
:
?
万方数据
总的损耗功率为P搅:W—1th矿+Ws,
当J。<挖乩/C/L时,在t;~如期间,电流在耽、
s4和D6中流动。
U;。
 ̄/C/L。Lp中的电流从ip上升到i‰所需的时间At:
在续流期间,LP中流过的最大电流为i。一2,z
=“ZI.pma,一iv)/U2ILF。D6的导通时间△如2At2+Atl。
在D2上产生的损耗为
;
;
w呸2詈U【踟号
在s4上产生的损耗为
眠=鲁u‰专+△如旦k专二型‰。
在D6上产生的损耗为
w瑰=3二地≯U【轴%:At,垫≤型‰
总的损耗功率为P搠:W—r—毛_+W亓s下,+一WD6
3.3仿真结果
为增加可比性,除新加入的电路部分外,其它部分
均与文献10中所述相同:变换器工作频率为
120
kHz,输入直流电压为380V,最大输出功率为2kW(48V/40A),场效应管结电容约为500pF,S,~
s4导通压降为1.5V,Dl~D4导通压降为1.1
V,D5、
V,咒=6,It/。=1/20,Lp=6弘H。
根据以上数据,用Matlab仿真绘出了两种变换器
(见图4)。
由仿真结果可知,改进后的电路拓扑在整个负载范围内,在续流期间的损耗功率都比原拓扑要小。这图4原拓扑结构和改进后的拓扑结构在不同
负载下在续流期间损耗的比较
本文在文献10所述电路拓扑的基础上,增加了一
(下转第14页)
D6导通压降为1.7各自在续流期间的损耗功率随负载电流变化的曲线种优势在负载较小时更明显。
4结论
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Power
TechnologyJan.25,2010。VoL27No.1
5实验结果及分析
采用PFM控制方式下,谐振电流及电容电压波形如图9、图10所示。由图可知,电压线性上升,验证了串联谐振CCPS的恒流源特性。
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图10设定电压1lkV时充电电压波形(横轴:时间。10ps/格纵轴:电压。2500my/格)
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参考文献:
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图9输出电压1kV时谐振电流波形
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(横轴:时间,10心格纵轴:电压,200mV/格)
6结论
本文给出了串联谐振CCPS的电路原理图及等效电路,建立了该电路的数学模型,分析了其在PFM方式下的工作过程。通过数学仿真的方法,研究了该电路的工作特性。实验结果验证了分析结论。
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(上接第3页】
个双向开关,在保持原有电路优点的基础上,减少了环流带来的损耗,特别是在负载较轻时,优势更明显。实例分析和仿真验证了改进后的拓扑结构的优点,该拓扑也可用于其它类型的移相全桥变换器中。
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active
snubber[C].IEEEAPEC’91
Rec.。
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cialSection
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on
Trans.PowerElectron.,PartSpe-Applications,2007,22(3):987—
1991:158-163.
Lighting
r67
RedlR,BaloghI,,EdwardsDW.Anovelsoft-switching
14
万方数据