一種減少全橋變換器環(huán)流損耗的策略

摘    要：本文提出了一種副邊帶有源嵌位電路的PWM全橋變換器，實(shí)現了超前橋臂的零電壓開(kāi)通和關(guān)斷，滯后橋臂的零電流開(kāi)通和關(guān)斷，減少了占空比損失，并且克服了全橋變化器在環(huán)流過(guò)程中存在的環(huán)流損耗。應用本拓撲制作了一臺功率1.2KW頻率100KHz的樣機。
關(guān)鍵詞：有源嵌位；移項控制；零電壓零電流；環(huán)流損耗
引言
目前，全橋變換器應用于很多大功率場(chǎng)合，尤其是ZVS-FB-PWM變換器應用更為廣泛。ZVS-FB-PWM變換器具有以下優(yōu)點(diǎn)：應用移項控制，控制簡(jiǎn)單；電壓、電流應力??；功率密度大；開(kāi)關(guān)管實(shí)現了軟開(kāi)關(guān)，提高了電路的效率等。但它也存在著(zhù)一些弊端：為了實(shí)現軟開(kāi)關(guān)致使占空比損失，尤其是在開(kāi)關(guān)過(guò)程中存在環(huán)流問(wèn)題，產(chǎn)生了不必要的損耗，阻礙了電路效率的提高。本文提出了一種新穎的ZVZCS-FB-PWM變換器，有效地解決了ZVS-FB-PWM變換器存在的環(huán)流問(wèn)題。

ZVZCS-FB-PWM變換器
拓撲電路及工作原理
ZVZCS-FB-PWM變換器的拓撲電路及工作波形分別如圖1和圖2所示。在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期中，該變換器有十六個(gè)開(kāi)關(guān)狀態(tài)。在分析之前，作如下假設：所有開(kāi)關(guān)管、二極管、電感、電容和變壓器均為理想器件；LS≥LLK；LS足夠大，在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期中，其電流基本保持不變?yōu)镮O。
模式1：【t0-t1】
t0時(shí)刻，S1和S4同時(shí)導通，電容C5通過(guò)二極管D5充電。副邊電壓被嵌位在，在諧振過(guò)程中儲存在漏感中的能量傳遞到副邊，一次側電流IP可表示為：

其中n為原邊與副邊之比。通過(guò)C5的電流IC可表示為：
IC = 
C5的充電時(shí)間和變壓器的漏感LLK、Vin和C5有關(guān)。
模式2：【t1-t2】
t1時(shí)刻， C5的電壓達到最大值，D5截至。副邊電壓變?yōu)?能量通過(guò)S1、變壓器和S4傳遞給負載。
模式3：【t2-t3】
t2時(shí)刻，S1關(guān)斷，C1開(kāi)始充電，C3開(kāi)始放電。S1兩端的電壓為

如果C1和C3比較大，S1兩端的電壓在開(kāi)關(guān)管關(guān)斷過(guò)程中被嵌位在零附近，因此S1為零電壓關(guān)斷。在這個(gè)過(guò)程中，副邊電壓也以IO/(C1+C3)的斜率下降。當C1兩端的電壓上升到Vin,C3兩端的電壓下降到零后，S3的反并二極管D3導通，S3兩端的電壓被嵌位在零，此后可以開(kāi)通S3，則S3為零電壓開(kāi)通。S1和S3的死區時(shí)間Td應滿(mǎn)足下面的條件才能實(shí)現超前橋臂的零點(diǎn)開(kāi)通：

模式4：【t3-t4】
t3時(shí)刻開(kāi)通S3，由于D3導通，S3兩端的電壓被嵌位在零，所以S3為零電壓開(kāi)通。此時(shí)雖然S3已經(jīng)開(kāi)通，但沒(méi)有電流流過(guò)。電流流過(guò)D3、變壓器和S4在原邊形成環(huán)流，造成了不必要的損耗，阻礙了電路效率的提高。在這個(gè)模態(tài)中，原邊電流IP可表示為：

其中VLK為加在變壓器漏感LLK兩端的電壓?？傻?，原邊電流下降為零所需要的時(shí)間Treset為：

為了使原邊電流迅速下降為零，在開(kāi)通S3的同時(shí)開(kāi)通S5。當S5開(kāi)通后，副邊電壓變?yōu)?，原邊電壓變?yōu)?。使原邊電流迅速下降到零，減少了環(huán)流損耗，同時(shí)為滯后橋臂的零電流開(kāi)通提供了條件。
模式5：【t4-t5】
t4時(shí)刻，原邊電流降到零，副邊整流二極管DS1關(guān)斷，電容C5通過(guò)S5為負載提供能量。
模式6：【t5-t6】
t5時(shí)刻，關(guān)斷S5，電容C5停止向負載提供能量。副邊電壓變?yōu)榱?，DS1和DS2同時(shí)導通進(jìn)行續流。在此過(guò)程中沒(méi)有電流流過(guò)原邊。
模式7：【t6-t7】
t6時(shí)刻，關(guān)斷S4，此時(shí)沒(méi)有電流流過(guò)S4，因此S4為零電流關(guān)斷。因為IGBT中的少數載流子已經(jīng)被結合，所以沒(méi)有脫位電流存在。
模式8：【t7-t8】
t7時(shí)刻，開(kāi)通S2，由于漏感LLK的存在，流過(guò)原邊的電流不能突變，因此開(kāi)關(guān)管S2為零點(diǎn)壓開(kāi)通。原邊電流IP可表示為：

此時(shí)原邊電流不能提供足夠大的負載電流，副邊整流二極管仍然同時(shí)導通進(jìn)行續流。
模式9：【t8-t9】
t8時(shí)刻，原邊電流IP達到最大值，整流二極管DS1關(guān)斷。電源通過(guò)S3、變壓器和S2向負載傳遞能量。
以上為ZVZCS-FB-PWM變換器的半個(gè)周期，下半個(gè)周期的開(kāi)關(guān)過(guò)程與上半個(gè)周期類(lèi)似。

新拓撲電路的優(yōu)點(diǎn)
超前橋臂和滯后橋臂實(shí)現了
軟開(kāi)關(guān)(ZVZCS)
該電路通過(guò)在前橋臂附加兩個(gè)電容實(shí)現了前橋臂的零電壓開(kāi)通和關(guān)斷；在次級加上嵌位電路實(shí)現了后橋臂的零電流開(kāi)通和關(guān)斷。與通常的ZVZCS-FB-DWM變換器相比，沒(méi)有加入阻性元件來(lái)實(shí)現軟開(kāi)關(guān)，因此，避免了額外的損耗和占空比損失，并且減小了開(kāi)關(guān)管的電壓應力和電流應力。
大大減少了環(huán)流損耗
在全橋環(huán)流過(guò)程中Treset跟VLK和漏感成正比。當副邊沒(méi)有嵌位電路時(shí)，加在變壓器漏感LLK兩端的只是漏感自感電壓，一般只有幾十伏，導致Treset比較大，在此過(guò)程中會(huì )有很大的環(huán)流損耗；當副邊帶有嵌位電路時(shí)，在開(kāi)通S2和S4時(shí)同時(shí)開(kāi)通嵌位開(kāi)關(guān)管S5，副邊電壓變?yōu)?，副邊反射到原邊的電壓等于n(大于等于Vin)，從而使原邊電流迅速下降到零，大大減少了環(huán)流損耗，提高了系統的效率，并且可以增大電路的功率。
提高了占空比
在開(kāi)關(guān)模式5中，雖然電源沒(méi)有給負載供電，但是儲存在C5中的能量繼續傳給負載。使得Vrect=VC5副邊高電壓時(shí)間大于原邊，如圖3所示。其中DLt為傳導損失時(shí)間；DBt為次級提升時(shí)間；Ts為開(kāi)關(guān)周期。

因為DBt>DLt，所以副邊電壓占空比大于原邊。
采用新拓撲電路制作了一臺功率為1.2kW，頻率為100kHz的實(shí)驗樣機。電路的主要參數為：輸入直流電壓200V；輸出直流電壓48V；輸出最大電流25A；主開(kāi)關(guān)管IGBT (G4PC50FD)；嵌位開(kāi)關(guān)管MOSFET(IRF44)；變壓器原邊與副邊之比為20：7；變壓器的漏感2.4m；嵌位電容6.8m；輸出濾波電容470m；輸出濾波電感39.2m；整流二極管為BQY28。該樣機的最大效率可達到94.2%。

結語(yǔ)
本文提出了一種新穎的副邊帶有有源嵌位電路的ZVZCS-FB-PWM變換器，有效地解決了ZVS-FB-PWM變換器存在的環(huán)流問(wèn)題，提高了電路的效率，增加了變換器的占空比，并且可以使電路的功率大于10KW。本拓撲也存在一些缺點(diǎn)，如嵌位電路的開(kāi)關(guān)管工作在硬關(guān)斷狀態(tài)，這有待于進(jìn)一步地研究和改進(jìn)?！?/p>

參考文獻
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