im电竞平台

首页 >> 学术年会 >> 学术交流
移相全桥ZVZCS变换器的分析及轻载时超前臂ZVS的改进
发布时间:2018-1-25 13:47:47发布人:超级管理员

 


 

 

移相全桥ZVZCS变换器的分析及轻载时

超前臂ZVS的改进

 

罗耀华,胡 

(哈尔滨工程大学)

 

【摘  要】ZVZCS移相全桥零电压零电流变换器实现了超前桥臂的零电压开关(ZVS)与滞后桥臂的零电流开关

ZCS),其软开关的实现条件比ZVS移相全桥与ZCS移相全桥要好。本文全面分析了这种变换器的工作原理,并

针对超前桥臂在轻载时实现ZVS效果不佳,提出了一种改进方法,增加了由2只电容器及1只电感器组成的辅助

电路,设计了关键参数并利用MATLAB/Simulink进行仿真研究,仿真实验结果证明了该方法对改善了超前臂ZVS

效果不佳有效。

【关键词变换器;移相控制;ZVZCS;辅助电路

 

The analysis of phase shifted full bridge ZVZCS converter and the improvement of the forearm ZVS in the light load

 

LUO Yaoha, HU Yue 

(Harbin Engineering University, Harbin, 150001, China)

 

AbstractThe ZVZCS phase shifted full bridge PWM converter achieves ZVS of the leading-leg and ZCS of the lagging-leg, whose soft switching condition is better than the ZVS or ZCS full bridge converter. This paper analyzes it is principle from all around, and the ZVS effect is not good when the lead bridge arm is in light load , an improved method is proposed, an auxiliary circuit composed of 2 capacitors and 1 inductors is added, designs key parameters and does simulation research by using MATLAB/Simulink software, simulation experiment results show that : This method improves the defect of the ZVS effect of the super forearm. 

 Key wordsconvertertransformer ZVZCS auxiliary circuit 

 


移相全桥电路是目前应用很广泛的软开关电路,其电路结构简单,控制方法便捷,与以往的硬开关电路相比有很大的优势。目前,全桥变换器主要有零电压软开关(ZVS),零电压零电流软开关(ZVZCS),零电流软开关(ZCS)三种实现软开关的形式。采用移相脉宽调制技术控制的全桥ZVS变换器具有拓扑结构简单、开关器件电压电流应力小的优点。这种拓扑形式使器件的杂散参数得以利用到电路工作中,实现主要开关器件的零电压软开关,但是初级环流在次级换流期

间会造成较大的导通损耗,需要较大的滤波电感

 

 


作者简介:罗耀华,男,1956年出生,哈尔滨工程大学自动化学院教授,博士生导师

才能实现滞后桥臂的软开关,同时占空比丢失等问题限制了这种拓扑在更大功率场合的应用。ZCS全桥变换器的拓扑适用于大电流的器件实现大功率变换的场合,但它较难实现超前管的ZCS,并且存在电流占空比丢失。ZVZCS全桥变换器的超前桥臂实现了ZVS,滞后桥臂实现了ZCS,不存在原边环流,提高了变换器的变换效率,虽然同样存在占空比丢失的问题,但是这种损失前两种拓扑要小得多,并且主开关管的软开关较容易实现。

要实现超前臂零电压开关、滞后臂零电流开关有两种方法,一是用饱和电感代替线性电感,变压器初级串联隔直电容及饱和电感作为反向阻断电压源,来复位初级电流。但饱和电感磁芯的散热问题是一个很需要解决的问题。二是在原边滞后桥臂串联二极管,这种变换器的开通和关断损耗较小,可以在任意负载和输入电压变化范围内实现滞后桥臂的零电流开关。

移相全桥ZVZCS原理分析

移相全桥ZVZCS变换器的主电路拓扑结构如图1所示。与ZVS PWM全桥变换器一样,超前桥臂开关管两端并联电容来实现其ZVSZVZCS方式就是0状态工作在电流复位模式,该变换器可以在很宽的负载范围内实现超前桥臂的ZVS和滞后桥臂的ZCS

 

 

 

 

 

 

 

移相全桥ZVZCS变换器主拓扑结构

该直流变换器的开关管驱动电压和主要电压波形示意图如图2所示:

 

各模态的电压电流波形示意图

变换器利用次级换流期间,使初级电流复位来实现滞后桥臂的零电流关断。为此,可以分别在滞后桥臂串联一个二极管,在初级串连一个阻断电容,采用移相PWM控制。分析之前作如下假设:所有开关管、二极管均为理想器件;输出滤波电感足够大,可看做恒流源;在半个周期里,变换器有6种工作模态,各个工作模态的等效电路如图3.1-3.6所示。

模态M1S1S4导通,输入功率传输到次级,初级电流Ip(t)对阻断电容Cb充电,电压Ucb(t)从负的最大值线性增大:

             (1)

模态M2:模态1结束,S1关断。初级电流Ip(t)S1的并联电容C1充电,S3的并联电容C3放电,开关管S1的电压线性增长:

              (2)

电容C1足够大,因此S1关断损耗较低,为零电压关断。此模态结束时刻,C1充电电压近似为输入电压UiC3上的电压为零,VD3自然导通。

模态M3VD3导通后,Uab钳位于零,此时开通S3S3便是零电压开通。阻断电容电压Ucb(t)加到漏感Lsk上,阻断电容Cb足够大,可以看做是一个恒压源,初级电流Ipt)线性减小:

             3

储存于漏感Lsk的能量回馈到阻断电容Cb上,变压器初级改变极性,次级四个整流管同时导通,此模态结束时刻,初级电流减小到零。

模态M4:初级电流Ipt)为零,S3S4处于导通状态,Uab为阻断电容电压。此模态结束时刻,关断S4S4是零电流关断。

模态M5:仅有S3处于导通状态,初级开路,此模态结束时刻,开通S2

模态M6:由于初级漏感Lsk的存在,S2的电流线性增大,因此是零电流开通:

                 4

模态6结束,开始开关周期的另半个周期

3.1  模态M1

3.2  模态M2

3.3  模态M3

3.4  模态M4

3.5  模态M5

3.6  模态M6

由以上分析可见,ZVZCS移相全桥变换器也存在占空比丢失问题。在模态1,2期间,初次级电压按匝比n换算,这段时间与开关周期的一半的比值是实价的占空比,用Deff表示;模态3期间,初级电流Ip(t)从最大值减小到零,次级整流电路续流,这是为零电流开关提供条件,这段时间可以用Dreset表示;模态4,5期间,初级电流Ip(t)保持为零,次级整流电路续流,这段时间可以用DZCS表示;模态6期间,初级电流Ip(t)反向增大,但不足以提供次级电流,次级整流电路仍续流,初级电压不能反映到次级,故这段时间出现了占空比丢失,用Dloss表示。四个占空比为模态持续时间与开关周期一半的比值,经计算整理成表1

占空比划分表

模态

占空比

表达式

1,2

Deff

U0+2UD/nUi

3

Dreset

8LskCb/DeffTs2

4,5

DZCS

LskIp/(Ui+Ucbp)

6

Dloss

由开关管关断特性决定

电路特征与参数设计

2.1  软开关的特点

超前桥臂S1S3实现ZVS,参考模态3,超前桥臂S3开通时,VD3处于导通状态,因此超前桥臂是零电压开通,且开通损耗为零,近似为零电压关断,关断损耗不为零,参考模态2S1关断后,C1电压线性上升,S1的电流减小到零需要一段时间,因此关断损耗取决于C1的大小及流过S1的电流。滞后桥臂S2S4实现ZCS,参考模态4,5S4关断时初级电流为零,因此滞后桥臂实现ZCS,且关断损耗为零;参考模态6S2开通时,由于初级漏感的存在,限制了S2电流的上升,实现ZCS开通,但开通损耗不为零。

2.2  实现软开关的条件

ZVZCS实现的条件是需要满足两个不等式,详述如下:参考模态23为实现超前桥臂ZVSS1S3驱动信号的死区时间必须满足:

                     5

由式子可见,在轻载情况(I0较小)下,td(1,3)必须增大才能实现超前臂的ZVS,因此C1C3确定后,输出电流的最小值确定了超前臂ZVS的范围。参考模态3,为使滞后桥臂ZCS,必须为Ip(t)提供足够的时间使其从最大值减小到零,该模态持续时间为:

                        (6)

显然,可以在任意负载和输入电压变化范围内实现滞后臂的零电流开关。为了实现滞后桥臂比、复位占空比、损失占空比、ZCS占空比之和小于1

2.3  关键参数的设计

变换器采用移相控制,超前臂两开关180°互补导通,两个驱动信号之间设置一定的死区,滞后臂设置同超前臂,只是在相位上滞后一定的角度,滞后角度反映有效占空比的大小。设计步骤如下:

(1)              设置两对桥臂的死区时间td

(2)              设置占空比Deff,计算匝比n;

(3)              根据(5)式计算C1C3

(4)              据模态1,阻断电容线性充电,Ucb(t)   变化近似为2Ucbp,则可求得Cb

                       (7)

式中,teff=DeffTs/2

仿真研究

为了检验以上的分析,对ZVZCS变换器进行了仿真,设计电路的参数为:Ui=300Vfs=30kHzC1=C3=5nFCb=1.5μFLsk=4μHL0=8.25μHC0=3.3μH,变比n=5U0=1000VI0=2A。死区时间设置为s


 

 

 

 

Uab波形和ip波形


分析ZVZCS全桥变换器的特性可知,在负载电流变化较大的情况下,难以兼顾超前桥臂的ZVS和滞后桥臂的ZCS,通常为了保证在满载时滞后桥臂仍然能够实现ZCS,不得不放弃超前在轻载时的ZVS。但当超前桥臂丢失ZVS条件后,C1C3储存的能量在开关管开通瞬间释放,不但增加了开关管的电流应力和损耗,C1C3也比较容易损坏,一旦C1C3被击穿,超前桥臂将被短路,从而降低了系统的可靠性。

在变换器轻载情况下,S1S3实现ZVS效果不佳,如图5所示,因此在超前桥臂前面附加了一个

加辅助电路的ZVZCS全桥变换器

 

 

辅助电路,以实现轻载时的ZVS,如图6所示。辅助电路独立工作时,除了增加S1S3ZVS范围以外,并不对变换器的 其它工作情况造成影响。这样,变换器可以在整个负载范围内实现ZVZCS,以提高系统的可靠性。

助电路的工作原理:当负载电流较小时,ip也比较小,不能使C1放电完毕,ip就降为零了。因此通过增加辅助电路,提供了一个电流Ia,加强了ip的作用。Ia的流动方向与ip保持相同,即在ip流入a点时,Ia也流入a点,相反,当ip流出a点时,Ia也流出a点。因此Iaip起到了增强作用,这两个电流共同对C1C3充放电,就能扩大超前桥臂的ZVS范围。在S3关断之前,Ia为负值,从S3关断开始,Iaip共同流入a点,给C1放电,C3充电。当C1放电完毕,Ia仍然为负值,S1的反并联二极管D1导通,实现S1的零电压开通,直到S1开通脉冲到来时Ia的绝对值开始减小,在VS1开通期间,Ia由负变正,S1关断之后,Iaip共同流出a点,给C1充电,C3放电,放电完毕后,Ia仍然是正值,S3的反并联二极管D3导通,实现S3的零电压开通条件,直到S3开通,Ia开始减小,当减小到Ia=0后,Ia开始负向增大,至此,辅助电路的一个工作周期结束。

 轻载时超桥桥臂电压 

加辅助电路轻载时超桥桥臂零电压

6是变换器在轻载下,即I0=0.5A,未加辅助电路时,S1的两端电压和电流波形,由图可知,此时零电压开通效果不佳,图7为加上辅助电路后,同样在轻载时的波形,由图可见,超前桥臂S1S3在轻载时零电压开通效果理想。

 

加辅助电路轻载时滞后桥臂零电流

总结

本文通过对移相全桥ZVZCS变换器原理的分析,可知超前桥臂在轻载时实现ZVS的效果不佳,提出在超前桥臂增加两个电容和一个电感的辅助电路,并通过Matlab/Simulink仿真,证明了该辅助电路对改善超前桥臂实现ZVS效果不佳的的有效性。

参考文献:

[1]    阮新波,严仰光.脉宽调制DC/DC全桥变换器的软开关

[2]    技术[M].北京:科学出版社,1999.

[3]    陈国超.移相全桥ZVZCS变换器控制策略的研究[D]. 成都:西南交通大学,2011:30-36.

[4]    J G Cho,J W Baek,C Y Jeong,et al.Novel Zero-Voltage and Zero-Current Switching Full-Bridge PWM Converter Using a Simple Auxilliary Circuit[J].IEEE Trans.on Industry Application,1999,35(1):15-20.

[5]    芮骐骅.滞后桥臂串联二极管的ZVZCS移相全桥变换器研究[D].合肥工业大学硕士学位论文,2010.

[6]    Ruan X, Liu F. An Improved ZVS PWM Full-bridge Convert With ClampingDiodes. In Proc.IEEE PESC. 1476-1481. 2004.

[7]    Sable D M, Lee F C. The Operation of a Full-bridge, Zero-voltage-Switched PWM Conveter . Proceeding of VPEC, 1989:92-97.

[8]        J.G.Cho,J.W.Baek,D.K.Yoo,Novel zero-voltage and zero-current-switching(ZVZCS)full bridge PWM convert using transformer auxiliary winding,in Proc.28th Annu.IEEE Power Electron.Spec.Conf.1997,pp.227-232.

[9]    阮新波. 采用辅助谐振网络实现零电压开关的移相控制桥式变换器. 南京航空航天大学工学博士论文. 1996:21-27.

[10]  徐平凡,陈忠仁,陈果.零电压开关移相全桥变换器尖峰抑制的实现[J].低压电器,20119.

[11]  林渭勋.现代电力电子技术[M].北京:机械工业出版社,2010.