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变压器副边电流箝位DC/DC ZVS全桥变换器           
变压器副边电流箝位DC/DC ZVS全桥变换器
作者:佚名 文章来源:不详 点击数: 更新时间:2008-9-26 20:18:45
o/K,整流后的电压增长到Vin/k。变压器原边向副边传递能量,如图7(g)所示。
    t
6时刻关断Q3,电路进入下半个工作周期,工作情况与上半个周期相同。
   
变压器副边使用饱和电感器的电路(图4)工作原理与上述的情况基本相同,区别在于:图3电路中,t2时刻关断Q4后,变压器副边绕组下半部分电流箝位是由开关管T2控制的,箝位时间大于死区时间;而图4电路使用的是饱和电感器,当变压器原、副电压开始反向后,由于饱和电感器LS2还没有进入饱和,作大电感运行,将副边绕组下半部分电流箝位在零,副边电压基本都加在LS2上,但是饱和电感器的箝位时间是由其本身决定的,如果箝位时间太短,那么滞后桥臂就不能完全是ZVS。
4 尖峰抑制器对开关管电流、电压尖峰的抑制
    同样,尖峰抑制器(饱和电感器)(图3)和饱和电感器(图4)对
变压器原、副边电流,副边开关管和二极管上的电压尖峰抑制的工作原理也相似。现在就以饱和电感器对二极管上的电流、电压尖峰的抑制加以说明。
    众所周知,二极管上的电流、电压尖峰主要是由于二极管少数载流子复合引起的,二极管反向恢复时相当于短路,少数载流子复合时间是确定的。当二极管反向恢复完后,二极管相当于1个电容,反向电流给这个电容充电,最后恢复阻断特性。图8给出了饱和电感器的迟滞回线。理想的饱和电感器或尖峰抑制器其磁化曲线接近矩形。图9给出了在整个关断过程中,二极管上的电压、电流大致波形。

       图9中,uD为二极管上的电压;UDM为二极管上的电压峰值;is1为流经二极管上的电流。
    二极管反向恢复时,饱和电感器是作大电感运行,工作在图8的ab段,要消除少数载流子反向恢复的影响,饱和电感器的伏-秒特性必须满足下式

式中  ts为二极管少数载流子的复合时间;N为饱和电感器绕组匝数;DB为饱和电感器磁化时磁感应强度变化范围;S为饱和电感器铁心面积。
    满足了式(8)只是消除了二极管反向恢复的影响,要很好地消除二极管电压尖峰,饱和电感器的迟滞回线应该按照图8中:fabcde走,其中ab段为反向恢复时间段,b点后二极管恢复阻断特性,相当一个电容,到达c二极管上的电压等于2Vs=2Vin /K
5 参数设计
5.1 尖峰抑制器的设计
    尖峰抑制器的设计必须满足式(8),但是,要最大限度地消除电压尖峰,就必须按照图8中的迟滞回线走,bc段回路以恒定电流Ism对二极管等效电容进行充电,如果抑制器的伏秒积太小,迟滞回线就会走到图8所示的虚线段,反向电流会急剧增加,二极管上的电压尖峰会超过2倍的反向电压。

    c
点是个关键点,是由不饱和进入饱和的转折点,恒定电流Ism

式中  Hc为尖峰抑制器的矫顽力;l为等效磁路长;N为绕组匝数。

    c
点时二极管电压线性上升到2Vsbc段的时间为

    c点后尖峰抑制器进入饱和,二极管的等效电容与尖峰抑制器剩余电感、变压器的漏感及导线电感(共Lsx)发生谐振,二极管上的电压峰值可表示为

    所以要最大限度地消除电压尖峰,尖峰抑制器的伏秒积必须满足

5.2  饱和电感器的设计
    如果只是消除电流、电压尖峰,饱和电感器的设计完全可以按照式(12)来设计。但是饱和电感器还要肩负另一项重任:滞后桥臂ZVS时,它要对
变压器副边一半绕组中的电流进行箝位,其箝位时间要大于滞后桥臂上的电容充、放电时间,则

    一般说来,电容充、放电时间t23要远大于式(12)中的ts+tbc,因此设计饱和电感器不同于尖峰抑制器,如果选用相同材料的磁心,饱和电感器的铁心面积要大或绕组匝数要多。
5.3  占空比丢失
    当原边电流从正向(或负向)变化到负向(或正向)负载电流时,由于原边不足以提供负载电流,副边整流桥两端电压为零。这部分时间与二分之一开关周期的比值就是副边占空比的丢失DLOSS,经推导得

式中  Ts为开关周期。
5.4  最大占空比
    由第二节分析知道,滞后桥臂电容充、放电时,副边整流电压Vrect为一负值。理论上,副边电流箝位电路所能达到的最大占空比Dmax由下式决定

    从最大占空比的设计看出,饱和电感器或尖峰抑制器的伏秒积不是越大越好,如果增加匝数的话,tbc会越大,Dzvs会越大。如果增加铁心面积的话,饱和电感器或尖峰抑制器的损耗会加大。
6  实验波形和效率曲线
6.1  实验参数

    输入直流电压:320~360V
    输出直流电压:100V
    额定输出功率:2kVA
    原、副边开关管IGBT:G40N60B3D
    原边开关管并联电容:4nF
    尖峰抑制器伏秒积:1×10-4Vs
    饱和电感器伏秒积:3×10-4Vs
    工作频率:46kHz
    选择输入直流电压为320~360V,输出为100V的直流电压的原因是:220VAC整流即能得340VDC,当输入电压提高5倍,即为地铁电网电压1700V;100V输出相应提高5倍为500V,逆变基本上供380V交流负载用。
6.2  传统电路超前管、滞后管源漏极电压和驱动电压波形
    图10为传统电路超前管Q1和滞后管Q4的波形。图中超前管Q1上的电压VQ1,滞后管Q4上的电压VQ4。右边为左边时基展开图。

        图中滞后管Q4上的缺口是变压器漏感和开关管并联电容谐振引起的。可见,Q1和Q4开通时,VQ1VQ4下降的形态是不一样的。图11给出了开通Q1和Q4时的情况,图中VGQ1VGQ4为Q1、Q4管的栅极驱动电压波形。从图中可以看出,开通Q1管时,源漏极上的电压已经降为零,因此开通Q1管为软开关,而开通Q4管时,源漏极电压不为零的,因此开通Q4管为硬开通。

6.3  加电流箝位滞后管Q4源漏极电压和驱动电压波形
    图12为副边电流箝位电路开关管Q1、Q4开通时的电压波形,电压比例同图11。左图为副边电流开关管箝位时的电压波形,右图为副边电流饱和电感器箝位时的电压波形。从图中可以看出,滞后管Q4在给开通信号时,其源漏极上的电压均已降为零,即实现了软开关,证明了副边电流箝位实现ZVS的可行性。显然克服了如图11所示的传统电路Q4管硬开通的缺点。

6.4  二极管上的电压波形
    二极管上的电压Vd,二极管上的电流is1。右边为左边时基展开图,如图13所示。

       从图中可以看出,由于加了尖峰抑制器和饱和电感器,二极管上的电压尖峰基本消除。这与第3节中的分析一致,见图9。
6.5  效率曲线
    图14、图15为效率h 的曲线。从图中可以看出,采用了副边电流箝位电路后,由于超前桥臂和滞后桥臂在进行ZVS时,能同时利用励磁电流和负载电流,因而能在很宽的负载范围内进行ZVS,从而保证了在很宽的负载范围内效率较高。从图14、图15可看出,当负载从4A变化到20A,效率均在90%以上,且负载较大时,效率更高,如图中指示在负载大于7A时,效率高达94%左右,这对大功率DC/DC变换器来说,意义是很重大的。

    从图中还可以看出,采用饱和电感器的效率要略高于采用开关管和尖峰抑制器,这主要是因为少用了2个开关器件的缘故。
7  结论
    本文揭示了移相全桥变换器中滞后桥臂开关管ZVS条件难以满足的原因,指出了解决这一问题的诸多方法。论文特别研究了在副边采用开关管和饱和电感的两种方案。理论和实际都证明了这二种拓扑线路超前桥臂和滞后桥臂在进行ZVS时,均利用了励磁电流和负载电流,因而能在很宽的负载范围内进行ZVS。并且由于采用了尖峰抑制器和饱和电感器,很好地抑制了原、副边电流电压尖峰,提高了系统的可靠性,减少了电磁干扰。
    对这2种拓扑线路进行了比较,发现采用饱和电感器的波形要好些,但是饱和电感器要求的伏秒积要远大于尖峰抑制器。也就是说,如果采用相同的磁性材料,采用相同的绕组,尖峰抑制器的磁心面积要比饱和电感器小,磁心损耗也会小。

参考文献

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[3]  Transformer parasitic reactive components-assisted soft-switching PWM inverter type DC-DC converter with ZCS power switches [C].IEEE PESC',2000:167-172.
[4]  Hamdad F S,Bhat A K S.A novel pulse width control scheme for fixed-frequency zero-voltage-switching DC-to-DC PWM bridge con-verter[C].IEEE PESC',1999:263-268.
[5]  Moschopoulos G,Jain P.a pwm full-bridge converter with load independent soft-switching capability[C].IEEE APEC',2000:79-85.
[6]  李斌,阮新波,李金钟(Li Bin,Ruan Xinbo,Li Jinzong).倍流整流方式ZVS PWM 三电平直流变换器(Current-double-rectifier ZVS PWM three-level converters)[J].中国电机工程学报(Proceedings of the CSEE),2002,9(22):79-83.

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