推挽正激軟開(kāi)關(guān)電路的實(shí)現與比較

1　引言

　　功率變換器的軟開(kāi)關(guān)技術(shù)在當今電源領(lǐng)域得到了廣泛應用。它不僅可以提高變換器的可靠性和開(kāi)關(guān)頻率，而且可以減小體積和重量，降低開(kāi)關(guān)過(guò)程中的通態(tài)損耗，提高整機效率。應用于推挽正激電路[1,2]的軟開(kāi)關(guān)電路拓撲通常是考慮在其整流橋之后增加一輔助諧振網(wǎng)絡(luò )，利用諧振電容上的電壓來(lái)封鎖整流橋，從而達到零電流關(guān)斷主管的目的。圖1給出了不同諧振網(wǎng)絡(luò )下的軟開(kāi)關(guān)方案：
　　諧振網(wǎng)絡(luò )（a）：利用變壓器副邊漏感和諧振電容組成諧振支路，諧振電感位于主功率回路中，構成ZCS方案[3]；
　　諧振網(wǎng)絡(luò )（b）：增加兩個(gè)單向導通二極管D5、D6，把諧振電感Lr移出主回路，構成ZCT方案[4]。
　　諧振網(wǎng)絡(luò )（c）：在變壓器的副邊增加一個(gè)輔助繞組和整流橋，與諧振電感、諧振電容組成一個(gè)獨立的諧振網(wǎng)絡(luò )，構成變壓器輔助繞組方案[5]。
　　文獻[3-5]對諧振網(wǎng)絡(luò )及其參數的取值大小沒(méi)有詳加分析。本文從能量的角度確立了理論依據并根據諧振感值大小的差異引出了不同諧振模式的分析探討。

2　簡(jiǎn)要的工作模態(tài)分析

　　在簡(jiǎn)要分析電路工作原理之前假設所有元件均為理想器件，則Lf、Cf、RL可以看成一個(gè)電流為Io的電流源。
　　圖1中，Vin為直流輸入電壓, Lr為諧振電感,Cr為諧振電容,為功率變壓器副邊等效漏感，主變壓器原、副邊變比K=NS/N1，變壓器輔助繞組與變壓器原邊的變比n=Nf/N1。圖2給出了簡(jiǎn)要的工作原理波形。

圖1　推挽正激軟開(kāi)關(guān)諧振網(wǎng)絡(luò )電路拓撲[(a)—(c)]
　　[1]t0-t1：在t0時(shí)刻前，S1、S2均關(guān)斷，漏感平均電流Iav[6]在原邊環(huán)流，負載電流通過(guò)整流橋[D1—D4]續流。此時(shí)，諧振電感電流和諧振電容電壓為零。t0時(shí)刻S1開(kāi)通，副邊電壓KVin加
　　在副邊繞組上，電流從0開(kāi)始線(xiàn)性上升。同時(shí)，D1、D3電流開(kāi)始線(xiàn)性上升，D2、D4電流下降。t1時(shí)刻，ID1=ID3上升到Io。
　　[2]t1-t4：在此時(shí)間段內 ，根據諧振網(wǎng)絡(luò )的不同，工作模態(tài)不盡相同。
　　諧振網(wǎng)絡(luò )（a）： t1時(shí)刻，Da自然導通，L 和Cr開(kāi)始諧振。由于漏感較小，經(jīng)過(guò)Tr/2, t2時(shí)刻Da反向截止，VCr為2KVin保持不變。t3時(shí)刻,開(kāi)通Sa，和Cr繼續被打斷的諧振過(guò)程。t4時(shí)刻，減小至零，D1、D3零電流關(guān)斷，減小了反向恢復，副邊電流減小至零。此時(shí)原邊只有漏感平均電流Iav和勵磁電流在輸入電源—N1—C—N2構成的回路中環(huán)流，開(kāi)關(guān)管中電流為零。t4時(shí)刻以后，S1可以零電流關(guān)斷。
　　諧振網(wǎng)絡(luò )（b）和（c）：工作過(guò)程與（a）類(lèi)似。（a）和（b）的諧振激勵源電壓為 KVin；（c）則為nVin。根據諧振電感值大小的不同，工作模態(tài)還稍有變化。（詳細分析見(jiàn)4）
[3]t4-t6：t4時(shí)刻開(kāi)始諧振電容放電提供全部的負載電流，電容電壓為Vcr*（見(jiàn)表1）：t5時(shí)刻，可以零電流關(guān)斷S1；t6時(shí)刻，電容電壓減小到0。若電容值太大，諧振電容電壓在輔管關(guān)斷時(shí)則不能放至零（詳細分析見(jiàn)4）

表1　不同諧振網(wǎng)絡(luò )方案下t4時(shí)刻諧振電容電壓表達式

　　[4]t6-t8：t6時(shí)刻，負載電流Io通過(guò)整流橋（D1—D4）續流，t7時(shí)刻，可以零電壓/零電流關(guān)斷輔助開(kāi)關(guān)管Sa。t8時(shí)刻，零電流開(kāi)通主開(kāi)關(guān)管S2，開(kāi)始下半個(gè)開(kāi)關(guān)周期。

圖2 簡(jiǎn)要的工作原理圖

3　軟開(kāi)關(guān)的實(shí)現條件

　　由以上分析可知：只要在輔管開(kāi)通到主管關(guān)斷（定義為=t5-t3）時(shí)，滿(mǎn)足
VCr≥KVin　?。?）
　　就能實(shí)現對副邊整流橋（D1—D4）的箝位，封鎖整流橋，實(shí)現主功率管的零電流關(guān)斷。

4　諧振網(wǎng)絡(luò )的分析與參數設計

　　前面所提三種軟開(kāi)關(guān)方案的基本原理是一致的卻稍有不同：根據電感是否處于主功率回路可分為ZCS和ZCT兩種方式；根據電感取值的大小，則可以分成兩種諧振工作模式。下面就各諧振網(wǎng)絡(luò )分別進(jìn)行具體分析。

4.1關(guān)于兩種諧振工作模式的討論

　　根據電感取值的大小，可以形成兩種諧振模式：感值較小時(shí)，諧振周期相對開(kāi)關(guān)周期較小，在Da的作用下，電感電流減至零后反向截止，實(shí)質(zhì)為半波諧振工作模式；感值很大時(shí)，諧振周期tr>DTs-△Tf,至輔管開(kāi)通時(shí)電感電流還未到零。此種模式下，諧振網(wǎng)絡(luò )內環(huán)流較小，諧振電容電壓VCr2KVin,暫且定義為大電感諧振工作模式；兩者臨界狀態(tài)為
tr= Tr/2=DminTs-△Tf　?。?）。

4.2諧振網(wǎng)絡(luò )損耗分析

　　在分析諧振網(wǎng)絡(luò )損耗之前，做出如下假設：
　　諧振網(wǎng)絡(luò )為典型串聯(lián)諧振模型，激勵源電壓為KVin；Lr、Cr為理想無(wú)損元件；網(wǎng)絡(luò )內寄生電阻和二極管體電阻設為Rloss。則諧振電感電流：

　　　　　　?。?）
　　諧振電容電壓：

　　　　?。?）
　　其中：
　　則諧振網(wǎng)絡(luò )損耗為：

=

　　　?。?）
　　tr∈(Tr/4,Tr/2)從前面的式子可以看出在Lr盡可能大的情況下, Cr為取值較小時(shí)，諧振網(wǎng)絡(luò )環(huán)流和損耗較小。
　　為使諧振網(wǎng)絡(luò )在主功率管開(kāi)通時(shí)間內儲存能量，輻管實(shí)現零電流容性開(kāi)通，ZCZVS關(guān)斷。
則諧振網(wǎng)絡(luò )必須工作于兩種工作模式的臨界狀態(tài)為最佳：即在DminTs-△Tf時(shí)間內，LC網(wǎng)絡(luò )諧振，使得諧振結束時(shí)VCr達到2KVin。

4.3　諧振電容的選取

　　諧振電容取值推導以諧振網(wǎng)絡(luò )（c）為例：諧振電容Cr的選取由放電時(shí)間和輸出負載決定。當主管關(guān)斷時(shí)必須滿(mǎn)足公式（1）則：

　　　 （6）
　　為保證軟開(kāi)關(guān)的實(shí)現，須滿(mǎn)足：

　　　　　　　　　　?。?）
　　△t為諧振電容至放電至的時(shí)間，為輔管開(kāi)通到主管關(guān)斷時(shí)間=t5-t3。
　　由此可得出：

　　　　　 （8）
　　與此同時(shí)，當輔管關(guān)斷時(shí)，Cr上的電壓要能放至零,保證輔管實(shí)現零電壓/零電流關(guān)斷。放電時(shí)間（即輔管導通時(shí)間為T(mén)f）：

　　　　　　　?。?）
　　且　　　　　　　　?。?0）
　　則得：?。?1）
　　又因為由公式（4）可知：

　　　　　　　　 （12）
　　且　　　　　　　?。?3）
　　　　　　　　　　　 （14）
　　通常取　　　　　　　?。?5）
　　當D=Dmax時(shí)式（11）有最小值。
　　綜上可以得到諧振電容的選取公式：

（16）
　　其中：是最大負載電流，是最大輸出功率，是主管開(kāi)關(guān)頻率，是輸出額定電壓。的調節范圍為：
　　　　[0，]
　　根據諧振電容上的電荷平衡，可得

?。?7）
　　當為臨界工作模式時(shí)，將（2）式代入上式，可得：滿(mǎn)足式（10）。
　?、買(mǎi)0過(guò)小即輕載時(shí)，假設Tf、Cr不變由（9）（10）可知：當時(shí)，電容電壓不能放至零。
　?、贑r太大，I0一定時(shí)，為滿(mǎn)足式（17）Tf就要延長(cháng)時(shí)，電容電壓也不能放至零，輔管失去ZCZVS關(guān)斷的條件。

4.4　諧振電感的選取

　　由分析可知：工作在臨界狀態(tài)時(shí)，確定諧振電容值Cr和△Tf后，Lr就由（2）式?jīng)Q定。在此種方式下諧振環(huán)流、損耗最小，且輔管為ZCZVS關(guān)斷。

4.5　諧振網(wǎng)絡(luò )各自的特點(diǎn)

　　A、諧振網(wǎng)絡(luò )（a）構成的ZCS方案：
　　拓撲簡(jiǎn)潔，但由于變壓器副邊漏感較小，副邊整流橋的電流應力較大，從而導致原邊電流在主功率管導通時(shí)有一電流上沖，電流應力大；電壓應力為2KVin，造成的損耗較大。
　　B、 諧振網(wǎng)絡(luò )（b）構成的ZCT方案：
　　拓撲較簡(jiǎn)潔，Lr實(shí)現了可調，與ZCS不同的是它有兩種諧振工作模式。根據4.2中的結論，使諧振網(wǎng)絡(luò )工作在臨界諧振模式時(shí)，諧振回路的環(huán)流大大減小，使得變壓器原副邊電流在主功率管導通時(shí)上升平緩，導通時(shí)的電流應力大為減??；但電壓應力沒(méi)有得到改善。
　　C、諧振網(wǎng)絡(luò )（C）構成的輔助繞組方案：
與(a)(b)相比，它的優(yōu)勢在于可以通過(guò)改變變壓器匝比，調節諧振參數來(lái)達到減小電壓應力和電流應力的目的。降低了變壓器原邊電流，整流管的電壓、電流應力，但新增加的輔助整流橋卻帶來(lái)了較大的損耗，拓撲也比較復雜。

5　實(shí)驗結果

　　根據以上分析設計了三套軟開(kāi)關(guān)諧振網(wǎng)絡(luò )并研制了一臺24—30V輸入/76V輸出的1KW原理樣機。主管S1、S2：IXFK180N10；輔管Sa：IRFP460LC；主變壓器：雙EE42磁心（K=4，n=3）；整流管：DSEI30-06A。諧振網(wǎng)絡(luò )參數均設計在兩種諧振模式臨界條件下。（表1給出了各方案下的諧振參數與性能指標）圖3給出了ZCT方案、27V輸入下的實(shí)驗波形。從實(shí)驗波形可看出：諧振電感電流較小，有效值不到1A,輔管為ZCZVS關(guān)斷；圖4為三種不同諧振網(wǎng)絡(luò )拓撲結構下的效率對比曲線(xiàn)：在ZCS下，諧振網(wǎng)絡(luò )的損耗較大，而ZCT和輔助繞組方案下，諧振網(wǎng)絡(luò )損耗較??；采用ZCT方案特別是在滿(mǎn)載情況下效率要比ZCS方案來(lái)得高；而輔助繞組方案元器件較多，電路復雜，寄生參數較多，同時(shí)又增加了變壓器的銅耗，實(shí)驗效率較低。

表2 不同諧振網(wǎng)絡(luò )軟開(kāi)關(guān)電路拓撲性能參數表

圖3　ZCT臨界諧振工作模式下的實(shí)驗波形

圖4　27V輸入不同諧振網(wǎng)絡(luò )軟開(kāi)關(guān)電路效率對比曲線(xiàn)

6　結論

　　通過(guò)理論分析、實(shí)驗驗證可以得出如下結論：
　　1、ZCS方案實(shí)質(zhì)上是ZCT方案在TrTs下的一個(gè)特殊情形；
　　2、當諧振網(wǎng)絡(luò )參數滿(mǎn)足兩種諧振模式的臨界條件時(shí)，諧振環(huán)流，諧振網(wǎng)絡(luò )損耗較小，輔管為容性開(kāi)通，ZCZVS關(guān)斷；
　　3、綜合三種諧振網(wǎng)絡(luò )分析、實(shí)驗對比可以發(fā)現： ZCT方案較具有吸引力，其拓撲簡(jiǎn)潔，實(shí)現容易且滿(mǎn)載下效率較高，為91.47%。

參考文獻

[1]P. Xu, M. Ye, X. Jia, P. Wong and F. C. Lee, “The integrated-Filter Push-pull Forward Converter　for 48V Input Voltage Regulator Modules”,CPES Seminar Proc., April 2001, pp257-264 .
[2]Xunwei Zhou, Bo Yang, Luca Amoroso, et al “A Novel High-input-voltage, High Efficiency and Fast Transient Voltage Regulator Module: The Push-pull Forward Converter”[C].IEEE APEC, 1999,pp 487-492.
[3] 張方華，王慧貞，嚴仰光，正激推挽電路的ZCS方案[J].電力電子技術(shù)2003.2，37（2）： 60～62.
[4]Zhang Fanghua , Wang Huizhen, Yan Yangguang “ZCT Scheme of Push-Pull Forward Converter” [J].Journal of SouthEast University(English Edition),VOL.18 No.4 DEC.2002：331～335.
[5Jung G.cho, Ju W.Baek, D.W.Yoo, HongS.Lee, and Geun H.Rim,“Novel Zero-Voltage and Zero-Current-switching (ZVZCS) Full Bridge PWM Converter Using Transformer Auxiliary Winding”, IEEE PESC Rec.1997,pp 227-232.
[6]張方華，王慧貞，嚴仰光，新穎正激推挽電路的研究及工程實(shí)現[J].南京航空航天大學(xué)學(xué)報，2002，34（5）：451～455