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一种新型零电压零电流开关移相全桥变换器

来源:伴沃教育
第24卷第6期 2010年12f] 文童编号:1673—8691(2010)06 0425—04 空军雷达学院学报 Journal ofAirF—orceRada—rAcadem VO1.24 No.6 Dec.2010 一种新型零电压零电流开关移相全桥变换器 王光 ,余明友 ,朱忠尼。,金建伟 430019; 2.空军雷达学院科研部,武汉430019; 3.空军雷达学院五系,武汉430019) (1.空军雷达学院研究生管理大队,武汉摘要:为了解决传统零电压零电流开关(ZVZCS)PWMDC/DC变换器滞后桥臂零压范围较小、环流损耗 大的问题,采用串联双变压器、滞后桥臂带辅助网络和倍压整流电路,提出了一种新型零电压零电流移相全桥 变换器.首先分析了变换器在稳态下的各种工作状态,给出了相关计算公式,并制作了一台实验样机进行原理 验证.实验结果表明:该变换器能够在较宽的负载范围内实现滞后桥臂的零电压开通,重载下实现零电流开通, 从而极大地降低高频电路初级开关损耗和次级电磁干扰. 关键词:零电压零电流开关;全桥移相:辅助网络;全桥变换器 中图分类号:TM46 文献标志码:A DOI:10.3969/j.issn.1673—8691.2010.06.010 全桥变换器拓扑是目前DC/DC变换器中最常 滞后桥臂轻负载时的零电压开通和重负载时的零 电流开通.电感 和电解电容C。、C2是辅助电路 的主要组成部分. 用的电路拓扑之一,也是应用最广泛的全桥移相 变换器 J.目前采用的有限双极性控制方式的ZVZCS 电路实现简单,但由于采用超前桥臂反向雪崩击 穿来消耗变压器漏感储能,开关管的功耗增加,发 热严重 J.原边使用饱和电感的ZVZCS电路具有 软开关负载范围宽、占空比损失小的优点.但实现 困难,占空比丢失严重 j.采用有源箝位的ZVZCS 电路很好地解决了原边使用饱和电感的ZVZCS电 路中的问题.但增加了一个工作在硬开关下的功 率管,损耗变大;而会产生电压尖峰_4 .使用无源 无损网络副边箝位ZVZCS电路简单、容易实现, 但会出现较大的尖峰_5 J.本文提出一种新的带辅助 网络的结构,在不影响超前桥臂的零电压开通状 图1 新型ZVZCS移相全桥变换器电路拓扑 态,又能在较宽的负载范围内实现滞后桥臂的ZVS. 在重载时实现滞后桥臂的ZCS,由于这些辅助电 路与主功率回路是并联的,因此辅助电路电感和 电容的电流、电压应力均与负载无关,且均较小, 2稳态分析 图2为新型ZVZCS移相全桥变换器的工作波 形.为了分析稳定状态时变换器的工作过程,假 设:①所有开关管,二极管均为无损耗理想器件; ②所有电感、电容和变压器均为无损耗理想元 件;③C =G::G,= =Cs,C8 = =Ca;④2 个变压器的转换比、励磁电感和漏感相同,即 : 同时电路结构简洁等.最后通过实验,验证了理论 分析的正确性. 1 新型ZVZCS移相全桥变换器电路拓扑 采用辅助网络的新型ZVZCS移相全桥变换器 = ,L =L :=L ,L。kg是2个变压器的总漏感. 在一个开关周期 中,该变换器有10个开关 模态,前半周期和后半周期电路的工作过程相同, 本文只分析变换器的前半个工作周期. 1)模态0.to时刻等效电路如图3(a)所示,v 和V ,同时导通,且v 和V 截止.两臂对角线上 的电路如图1所示.该变换器主要由辅助网络、高 频变换器、2个串联的功率变压器 J、输出电压倍 增器 4个部分组成. 辅助电路的主要作用是在较宽的范围内实现 收稿日期:2010-06-26 作者简介:王光(1984),男,硕士生,主要从事电力电子与电力传动研究 426 V1 I : V1 空军雷达学院学报  l2010丘 下开关管同时导通,输入电压 全部施加在串联 V 。 L __J  jV l l —] 一 变压器的原边绕组两端. 2)模态1.[to, ]等效电路如图3(b)所示,to时 刻,VT 关断,辅助电感电流f 处于续流状态,经 过V 和V。 进行续流,电流值为 iL.( )=厶= /√厶/(2 Ca). I ’’一『  , 二一 / —————~ /l t 时刻,该模态的时间为to。=2C /,1.在 反向 前,A、B两点的电压差为n(/2Ol-Uoz)= △ . !:::一 一 ! 一一一 虿 ,j  .≮一 3)模态2.[t。,t2]等效电路如图3(C)所示,VD :;:\ / : \  ;导通后,V 。开通,V 和V 。驱动信号之间的死区 一 X 一 小j:睦! :i:笈二二 :j  ;: 二:: ::!: ::::: 豢: 一 (a)模态0时 (c)模态2时 v -I , _L-J 墨 . I I 。 =l+/o l 一/pri tI_ —一 C 【 B I + 三 ,o瘁牛 :!I I l  l =;I = 本-量 一 .一 一 ̄/4o 2  l; : (d)模态3轻载时 (e)模态3重载时 墨 L上J t’ =+“一 。1 I t'pn ( == 【 : l + 辑 =“一 2 图3半个周期内等效工作电路 第6期 王光,等:一种新型零电压零电流开关移相全桥变换器427 时间fd『Ic >to。,原边电流继续负向减小到零并接着 6)模态5.[t4,如]等效电路如图3(g)所示,如时 正向增大,在t2时刻增大到变压器T 的励磁电流 刻与模态3类似.由于在如时刻以前,Vos导通,变 :,变压器T:作为串联电感起储能滤波作用.变压 压器T 将以其自身的电感量 在此开关模态存 器T。将次级电容 的电压 反馈到初级,并作 储能量,在其余的开关模态中通过V。 释放能量. 用到T 的磁阻 .上,从而使 。线性减小,在此 在此模态中,主功率回路给负载供电,与辅助 模态期间,辅助电感电流屯 仍处于续流状态,流 网络无关.辅助电感厶电流线性下降为零.接着厶 过Vn和V 开始与Ca。和Ca:谐振,i 反向增加. 的电压下 4)模态3.轻载时,[ ,如]等效电路如图3(d)所 降到零,V。 自然导通,把厶两端电压箝位在零, 示,t 时刻,此电路的工作模态和模态2类似.重 辅助电感电流通过VT 和 续流,其电流值几乎 载时,等效电路如图3(e)所示.电流f …i 。。随负 保持恒定不变. 载的增大而增大,作用到漏感 上的电压随之增 从上面的分析可知:①当滞后桥臂开关时,辅 大,使得原边电流 …i 在通过Vt 、V ,环流期间 助电感电流i 以最大电流,a流进或流出节点B, 更迅速减小,在v 关断前 已经减小到零并反 帮助实现滞后桥臂的零电压开关;②辅助电容和 向增加,通过V ,的反并联二极管V。 续流,使V , 辅助二极管不参与滞后桥臂的开关过程,只是为 在t3时刻得以实现零电流关断(ZCS). 辅助电感建立最大电流厶,使滞后桥臂的开关过 5)模态4.[如,t4]等效电路如图3(f)所示,轻载 程十分简洁,便于优化设计参数. 时, △ / 值较小, 时刻V 关断时,初级主 回路电流 仍小于零,没有反向.V ,在t3时刻关 3 实验结果 断后, 和i 从V 逐渐转移到C ( )、 ( ), 本文参数设计要求:输出直流电压 =48V, 充电,Cs 放电, = 一“ 时刻前,C,充 变压器原、副边的变比n=3,变压器漏感L =40 , 电到 = ,U。 放电到零,VT 在如时刻实现零 变压器等效电感L =500 H,超前、滞后桥臂并联 电压开通.如时刻, ,的电压上升到输入电源电 电容C :C =c :C =1 nF,辅助网络电容C,= 压 ,C 的电压下降到零,此时V。 导通,开关模 =1 nF,辅助网络电感L =300 uH,输出箝位电 态4结束,其持续时间为 1 ., 、 容Co。=Co =6oF,输出滤波电容Co=1 mF,开关管 盯 mL 1MBH60D(带寄生二极管),功率二极管 从以上分析中可知:当负载较重时,由于此时 HFA25TB60,开关频率 =20 kHz.实验结果如图 起输出电感作用的变压器能量不足以实现V 在 4所示. 如时刻的零电压开通,容易造成次级占空比丢失, 实验结果表明:超前臂开关管能够实现ZVS, 因此辅助网络的添加具有拓宽轻载情况下滞后桥 图4(a)、图4(b)说明了辅助网络拓宽了滞后臂开 臂开关管的零电压开通范围,减小占空比丢失的 关管ZVS范围;由图4(c)可知该开关管实现了零 功能. 电压软开关;由图4(d)可知该变换器较好地实现 RIGOI-STOP~~~ 一……v 日2.30U Uvzl、“ 1 (c)V”驱动波形及其管压降波形 RIGOL STOP~…v 一…、 B 2 30u … ~ 0 /gUYIj、b/gVn /gdV “Bvn ]二j]厂 OH10 10.0U目:璺i∞OU Time S.000us 一6.400u; EHl=10 OU目龆100.OU T e s.000u 曰÷日OOOO ̄ =、 、.广/1 、J I (d)未带辅助网络50%全负载时v , (e)带辅助网络75%全负载时V 驱动波形和管压降波形 驱动波形和管压降波形 (f)重载时V ,驱动波形和变压器初级电流波形 图4实验结果 428 空军雷达学院学报 2010丘 了50%全负载下超前臂和滞后臂开关管的零电压 阮新波,严抑光.脉宽调制DC/DC全桥变换器的软开关 软开关,全负载情况下超前臂开关管的零电压和 技术[M].北京:科学出版社,2001:4-36. 滞后臂开关管的零电流软开关;由图4(e)可知辅 CHEN K.STUART T A.A 1.6kW,ll0kHz DC/DC converter optimized for IGBTs[J]_IEEE Trans.on Power 助网络的添加能将滞后臂开关管的零电压开关范 Electronics,1993,8(1):18—25. 围拓宽到75%全负载;由图4(f)可知重载情况下 CHO J G,SABATE J A,HUA Gui—chao,et a1.Zero-voltage 滞后桥臂实现了ZCS,开关损耗低,副边占空比丢 and zero—-current・-switching full・-bridge PWM converter ofr 失小;变换器原边环流期间,环流能量有效的传 gh power applications[J].IEEE Trans.on Power Electronics, 1996,l1(4):622—628. 递到了次级负载,使环流电流衰减很快,降低了环 CHO J G,JEONG C LEE F C.Zero—volatge and zero- 流损耗,提高了效率. current--switching full bridge PWM converter using sec・- ondary active clamp【J】.IEEE Trans.on Power Electronics, 4结束语 1998,13(4):601—607. KIM E S,JOE K Y KYE M H,et a1.An improved soft. 本文提出的一种带辅助网络的新型ZVZCS移 switching PWM FB DC/DC converter for reducing con— 相全桥变换器通过自身辅助网络的能量转换,既 duction loss[J].IEEE Trans.on Power Electronics,1999,14 能在较宽的负载范围内实现滞后桥臂的ZVS,也 (2):258—264. YOON H K,CHOI E S,HAN S K,et a1.Zero・volatge z6rO— 能快速降低环流电流,从而显著地减小变换器的 current switching two--rtansformer full--bridge converter 环流损耗和开关损耗,提高变换器的工作效率,具 … using the output—voltage—doubler[C]E IPEMC’2006.IEEE, 有一定的实用价值.而该变换器在大功率场合下 2006:l一5. 的应用问题是需要进一步研究的内容. K0OGB,MOONGW,YOUNM J.Analysis anddesign of phase shift full bridge converter with series—connected two transformers[J].IEEE Trans.on Power Electronics, 参考文献: 2004,19(2):411—419. A Novel FulI Bridge Convertor With Zero—Voltage and Zero—Current Switching Phase Shift WANG Guang ,YU Ming-you ,ZHU Zhong—ni ,J1N Jian—wei (1.Department ofGraduate Management,AFRA,Wuhan 430019,China;2.Division ofScientiifc Research,AFRA,Wuhan 430019,China; 3.No.5 Department,AFRA,Wuhan 430019,China) Abstract:In order to overcome the problem that the conventional zero—voltage and zero-current switching (zvzcs)PWM DC/DC convertor has a smaller range of lagged bridge arlTl zero voltage and greater loss of loop current,a novel full bridge conveyor with ZVZCS phase shitf controlled was proposed by using the two—transformer in series,legged bridge arm with auxiliary network and doubler rectiifer.First,various operating states of the conveyor in steady state were analyzed,then some related formulas were given,and the principles were proved by making a experimental prototype.The experimental results show that the zero voltage switching on of the legged bridge arlTl in a wider range of load and zero current switching on with bigger load can be implemented by using the convertor,thus lowering the loss of primary switching on/off and the electromagnetic interference(EMI)of the secondary in high frequency circuits. Key words:zero.voltage and zero—current switching(ZVZCS);full bridge phase shitf;auxiliary network;full bridge conveyor 

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