一種開關(guān)變壓器電路的改進(jìn)方法

陳國(guó)藝　謝志鋒

摘要：提出了一種新的零電壓零電流移相全橋PWM控制變換器。在這個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，詳細(xì)分析了該變換器的工作時(shí)序和工作狀態(tài)。與以往的全橋開關(guān)變壓器相比，所提出的變壓器具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、整機(jī)效率高以及電流環(huán)自適應(yīng)調(diào)整等優(yōu)點(diǎn)，這使得它特別適合高壓大功率的應(yīng)用場(chǎng)合。

關(guān)鍵詞：全橋變壓器；零電壓開關(guān)；零電流開關(guān)；ZVZCS

1 引言

在中小功率的場(chǎng)合，功率器件一般選用MOSFET，這是因?yàn)镸OSFET的開關(guān)速度快，可以提高開關(guān)頻率，采用ZVS方式，就可將開關(guān)損耗減小到較為理想的程度。而在高壓大功率的場(chǎng)合，IGBT更為合適。但I(xiàn)GBT的最大的缺點(diǎn)是具有較大的開關(guān)損耗，要想在ZVS方式下減少關(guān)斷損耗，則必須加大IGBT的并聯(lián)電容。然而由于輕載時(shí)ZVS很難實(shí)現(xiàn)，因此ZVS方案對(duì)于IGBT來(lái)說(shuō)并不理想。

本文提出了一種基于全橋變換器的ZVZCS控制方法。采用IGBT作為功率開關(guān)、有限雙極性控制方式，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D1所示。Q1～Q4四個(gè)開關(guān)管組成一個(gè)全橋電路。ZVZCS全橋PWM變換器實(shí)現(xiàn)了一個(gè)橋臂的零電壓開關(guān)和另一個(gè)橋臂的零電流開關(guān)。其中，Q1、Q2組成超前橋臂，兩端分別并聯(lián)有吸收電容C1、C2，且C1=C2=Cr；其中，Cb為隔直電容，用來(lái)防止偏磁和實(shí)現(xiàn)ZCS。L1為外加飽和電感和變壓器TR的漏感之和，提高了電源的轉(zhuǎn)換效率及其電磁兼容性能。

2 全橋變換器的工作原理

四個(gè)開關(guān)管的工作過程和各部分響應(yīng)波形中，VGE是驅(qū)動(dòng)信號(hào)，IP是變壓器T的一次電流，Ucb是電容Cb兩端電壓。

電路工作過程分析如下：

1）[0，t0]時(shí)刻：

Q1、Q4同時(shí)導(dǎo)通，變壓器原邊電流Ip開始上升，流向是從Q1到L1、變壓器、Cb、Q4。功率從原邊流向副邊，同時(shí)隔直電容Cb上的電壓開始上升。為了簡(jiǎn)化分析，暫不考慮變壓器的勵(lì)磁電流和副邊電流Io的波動(dòng)，因此變壓器原邊電流Ip（t）為：Ip（t）=Ipo=Io/n（1）

當(dāng)然，實(shí)際電路中由于副邊整流二極管的反向恢復(fù)過程，Ip（t）上升沿有一個(gè)尖峰，見圖2。Cb兩端電壓Ucb（t）為：Ucb（t）= t*Ipo /Cb=Ucbp （2）

該過程所用時(shí)間為：t0=2Ucbp*Cb/ Ipo （3）

2）[t0，t1]時(shí)刻：

Q1關(guān)斷，Q1的關(guān)斷是ZVS關(guān)斷，原邊電流Ip通過C1、C2繼續(xù)按原方向流動(dòng)。Q1關(guān)斷后，原邊電流通過C1、C2進(jìn)行續(xù)流。該過程所用時(shí)間為：t01=2Vin*Cr/ Ipo （4）

3）[t1，t2]時(shí)刻：

在t2時(shí)刻環(huán)流衰減到零，原邊電流變化過程為：Ip（t）= Ipo- t*Ucbp /L1 （5）

該狀態(tài)持續(xù)時(shí)間為：t12= L1*Ipo /Ucbp （6）

4）[t2，t3]時(shí)刻：

至?xí)r刻t2，原邊電流為零，并試圖反向增加。由于隔直電容Cb很大，其上的電壓很小，因此，C2在充滿電后的電壓也很小，電流很快降為零。振蕩周期為：T=2π（7）

5）[t3，t4]時(shí)刻：

Q4關(guān)斷，顯然，由于此時(shí)Q4上電壓電流均為零，因此Q4是ZVZCS關(guān)斷。Q3是硬開關(guān)導(dǎo)通，而且Q3導(dǎo)通時(shí)其兩端電壓大小約為直流輸入電壓大小。而在普通硬開關(guān)工作方式下Q3導(dǎo)通時(shí)其端電壓是直流輸入電壓的一半。

6）[t4，t5]時(shí)刻：

Q2、Q3導(dǎo)通。由于Q3集電極電壓很小，Q3可近似看成ZVS導(dǎo)通。此時(shí)Q2輸出電容上的電壓為Uin，在Q2開通時(shí)該能量全部通過Q2放掉，因此在選擇Q2、Q4時(shí)應(yīng)選輸出電容小的器件。在導(dǎo)通瞬間：Ip（t）=（Uin+Ucbp）*t/L1 （8）

其后，副邊整流管DR1截止，副邊電流完全通過DR2，由第二個(gè)副邊繞組提供。

至此，完成半個(gè)開關(guān)周期的分析。另一半周期的控制方法和工作過程類似。

3 實(shí)現(xiàn)ZCS和ZVS的條件

原邊電流Ip從負(fù)載電流減到零的時(shí)間為：

t12= Ipo *L1/Ucbp =2Cb *L1/t0=4Cb *L1/D *TS （9）

D為占空比，TS為開關(guān)周期?？梢婋娏骰亓愕臅r(shí)間t12與輸入電壓和負(fù)載電流無(wú)關(guān)，僅與電路的參數(shù)和占空比有關(guān)。即在很大負(fù)載范圍內(nèi)均可實(shí)現(xiàn)ZCS橋臂Q2、Q4的零電流關(guān)斷。通過合理設(shè)計(jì)電感L1，理論上也可實(shí)現(xiàn)Q2、Q4的零電流開通。

ZVS實(shí)現(xiàn)的條件比移相控制法更為寬松，從（6）式可以看到，僅在極輕載條件下才實(shí)現(xiàn)不了ZVS?？梢愿鶕?jù)實(shí)際適當(dāng)將Cr選大一些，以降低關(guān)斷損耗。

Cb太小則Ucbp過大，使管子應(yīng)力變大；Cb太大不易實(shí)現(xiàn)ZCS。應(yīng)以其電壓峰值小于10%Uin為宜。

4 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了一種新型零電壓零電流移相全橋PWN控制變換器。在輕載和重載的情況下，分別用漏感和勵(lì)磁電感儲(chǔ)存能量，實(shí)現(xiàn)了超前橋臂的ZVS和滯后橋臂的ZCS，從而減小了開關(guān)損耗.提高了電路工作效率。所提出的變壓器具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、整機(jī)效率高以及電流環(huán)自適應(yīng)調(diào)整等優(yōu)點(diǎn)，這使得它特別適合高壓大功率的應(yīng)用場(chǎng)合。

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