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1、2005年12月重慶大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版D ec.2005第28卷第12期Jour nal of Chongqi n g U niversity(Nõt u rõl Sc ience Ed itionV o.l28No.12文章編號:1000-582X(200512-0027-05移相全橋軟開關(guān)變換器拓?fù)浞治?陳柬,陸治國(重慶大學(xué)電氣工程學(xué)院,重慶400030摘要:移相全橋軟開關(guān)變換器從基本的移相全橋(FB零電壓(Z VS脈寬調(diào)制(P WM變換器,發(fā)展到移相全橋零電壓零電流(ZVZCSP WM變換器,及移相全橋零電流(ZCSP WM變換器,進(jìn)而又產(chǎn)生一系列其它新型的移相全

2、橋電路,構(gòu)成了這一類很具有發(fā)展和應(yīng)用前景的變換器.比較分析了上述3類主要的移相全橋軟開關(guān)變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、工作特點(diǎn)和各自的優(yōu)缺點(diǎn).改進(jìn)的FB-Z VS-P WM變換器擴(kuò)大了滯后臂Z VS負(fù)載范圍.FB-ZVZCS-P WM變換器解決了滯后臂軟開關(guān)負(fù)載范圍問題,滯后臂較適合用絕緣柵極雙極型晶體管(I G B T.FB-ZCS-P WM變換器可以實現(xiàn)各個功率管的ZCS,更適合大功率場合.關(guān)鍵詞:移相;零電壓開關(guān);零電流開關(guān);零電壓零電流開關(guān);變換器中圖分類號:TM910.1文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A移相P WM控制方式是近年來在全橋變換電路中廣泛應(yīng)用的一種軟開關(guān)控制方式.這種控制方式實際上是諧振變換技術(shù)與常規(guī)

3、P WM變換技術(shù)的結(jié)合.移相全橋軟開關(guān)電路有效降低了電路的開關(guān)損耗和開關(guān)噪聲,減少了器件開關(guān)過程中產(chǎn)生的電磁干擾,為變換器裝置提高開關(guān)頻率和效率降低尺寸及重量提供了良好的條件.同時,還保持了常規(guī)的全橋P WM電路中拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡潔,控制方式簡單,開關(guān)頻率恒定,元器件的電壓和電流應(yīng)力小等一系列優(yōu)點(diǎn).1移相FB-Z VS-P WM變換器1.1基本的移相FB-ZVS-P WM變換器移相全橋零電壓P WM軟開關(guān)的實際電路如圖1所示1-3.圖1基本的移相FB-ZVS-P WM變換器圖2是Q1Q4的開關(guān)控制波形.與常規(guī)的全橋P WM相比,移相式FB-Z VS-P WM變換器具有明顯的優(yōu)勢.利用變壓器漏感和開關(guān)

4、管的結(jié)電容諧振 ,在不增加額外元器件的情況下,通過移相控制方式,實現(xiàn)了功率開關(guān)管的零電壓導(dǎo)通與關(guān)斷,減小了開關(guān)損耗,降低了開關(guān)噪聲,提高了效率,減小整機(jī)的體積與重量.其主要缺點(diǎn)為:滯后臂開關(guān)管在輕載下將失去零電壓開關(guān)功能;原邊有較大環(huán)流,增加了系統(tǒng)的通態(tài)損耗;存在占空比丟失現(xiàn)象3-8.圖2開關(guān)控制波形1.2串聯(lián)飽和電感的改進(jìn)拓?fù)湓谧儔浩鞒跫壌?lián)飽和電感L r的方案中9,利用L r的臨界飽和電流特性及儲能,來擴(kuò)大Z VS的負(fù)載范圍,提高輕載時的輸出效率.與圖1所示變換器相比,它具有明顯的優(yōu)勢:有效擴(kuò)大了零電壓開關(guān)負(fù)載范圍,*收稿日期:2005-08-10作者簡介:陳柬(1981-,女,河南南陽人

5、,重慶大學(xué)碩士,主要從事電力電子與電力傳動方向的研究.保持了最小的環(huán)流能量,減小了導(dǎo)通損耗;減小占空比丟失;改善了輸出電壓調(diào)節(jié)特性;減小了副邊整流二極管結(jié)電容的寄生振蕩.1.3輸出濾波電感參與諧振的改進(jìn)拓?fù)溥@種電路在滯后臂開關(guān)管進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換的短暫期間,使副邊整流二極管不能同時導(dǎo)通,則輸出濾波電感可被用來參與諧振.與基本的移相式FB-ZVS-P WM 變換器相比9,它具有如下特點(diǎn):輸出濾波電感具有很大的數(shù)值,可以存儲很大的磁場能量,從而大大擴(kuò)展滯后臂開關(guān)管零電壓開關(guān)負(fù)載范圍;減小占空比丟失;輸出電壓可以通過變壓器副邊調(diào)節(jié),原邊保持恒定的占空比,從而可以加快系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng),簡化了控制電路,無需考慮

6、原副邊的隔離;飽和電感使副邊整流二極管結(jié)電容的寄生振蕩可忽略不計,副邊可以不考慮緩沖器的設(shè)計.1.4有源鉗位型改進(jìn)拓?fù)溽槍Ω邏捍蠊β蕡龊险鞴艿募纳娙菖c變壓器漏感相互作用會導(dǎo)致整流管輸出電壓產(chǎn)生過沖及振蕩現(xiàn)象的問題,常用的抑制方法有整流管兩端并聯(lián)阻容吸收回路,采用無源鉗位吸收電路,或使用低漏感變壓器及諧振電感等,存在的問題是吸收電路損耗大、影響效率,或者能抑制電壓過沖但無法完全消除振蕩現(xiàn)象.文獻(xiàn)9提出一種在整流管輸出端并聯(lián)有源鉗位吸收電路的方法,不僅能有效抑制整流管電壓過沖和振蕩現(xiàn)象,而且鉗位回路本身損耗很小,變換器具有較高效率.1.5增加輔助電路的改進(jìn)拓?fù)溥@種電路的基本方法是,給滯后臂并聯(lián)

7、一個輔助諧振電路,利用輔助電路中的電感幫助漏感實現(xiàn)滯后臂開關(guān)管的ZVS.此種方法在三相電壓型逆變器設(shè)計中是最常用的軟開關(guān)手段之一.1.6其它改進(jìn)拓?fù)鋵⒁粋€續(xù)流二極管增加到輸出端,并且在原邊增加由電阻、電容組成的吸收電路10,如圖3所示.在變換器的鉗位續(xù)流期,大部分電流經(jīng)過外加續(xù)流二極管,降低了輸出濾波電感電流對原邊的影響.但是,外加續(xù)流二極管并不影響移相臂的/線性0切換,這是因為在外加續(xù)流二極管導(dǎo)通之前,移相臂的線性切換已經(jīng)完成.外加二極管的作用就是消除移相臂切換行為發(fā)生后的輸出濾波電感對原邊的反射,降低了鉗位續(xù)流期間原邊電流的短路效應(yīng),減少了環(huán)流期間的導(dǎo)通損耗,提高了能量的傳輸效率.在變壓器

8、原邊增加由電阻、電容組成的壓吸收電路使電流尖峰得到了明顯的抑制 .圖3增加吸收電路和續(xù)流二級管的變換器另外,文獻(xiàn)11介紹了利用能量恢復(fù)緩沖器的軟開關(guān)變換器.2移相FB-Z VZCS-P WM變換器近年來I G BT得到了迅速的發(fā)展及廣泛的應(yīng)用,由于它具有較高的耐壓值,較低的通態(tài)損耗,較大的功率密度和較低的成本,更適用于大功率場合12-15. FB-ZVZCS-P WM變換器就比較適合I GBT.2.1飽和電感型FB-ZVZCS-P WM變換器如圖4所示,這種在變壓器初級串聯(lián)隔直電容及飽和電感作為反向阻斷電壓源,來復(fù)位初級電流的方案13,16-17,拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡單,實現(xiàn)了有效的軟開關(guān)特性,電路中的

9、占空比丟失幾乎可以忽略.但由于實際運(yùn)行中飽和電感上有很大損耗,飽和電感磁芯的散熱問題是一個很需要解決的問題 .圖4全橋ZV ZCS-P WM變換器2.2有源鉗位型FB-ZVZCS-P WM變換器在整流管輸出端并聯(lián)有源鉗位電路,作為反向阻斷電壓源來復(fù)位初級電流.鉗位電路不僅對整流電壓起鉗位作用,同時也為滯后橋臂功率管創(chuàng)造了ZCS條件18.不足之處是需使用額外的有源開關(guān),降低了輸出效率.2.3輔助電路型FB-ZVZCS-P WM變換器采用變壓器輔助繞組和輔助電路來使初級電流復(fù)位,優(yōu)點(diǎn)是輔助電路中沒有耗能元件,整流管電壓應(yīng)力和初級環(huán)流均較小,不足之處是輔助繞組的參數(shù)設(shè)計比較復(fù)雜19.2.4復(fù)合型FB

10、-ZVZCS-P WM變換器文獻(xiàn)20提出在變壓器次級采用耦合輸出電感及輔助電路使初級電流復(fù)位的方案,沒有耗能元件或有源開關(guān),環(huán)流可以保持在最小值,輔助電路中的整流28重慶大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版2005年管通過諧振可以實現(xiàn)/軟換流020.比較分析上述幾種變換器拓?fù)?文獻(xiàn)20提出的方案較易于工程實現(xiàn),有較大的實用價值.2.5 其它FB -Z VZCS-P WM 變換器圖5是一個帶能量恢復(fù)緩沖器的FB -ZVZCS-P WM 變換器.利用一個能量恢復(fù)緩沖器,來代替附加抽頭式電感和飽和電抗器,以減小電流應(yīng)力.變換器可以減少慣性間隙的環(huán)路電流.使用簡化的能量緩沖器可以使環(huán)路電流和次級暫態(tài)過電壓最小化 .圖

11、5 其它FB-ZV ZCS-PWM 變換器能量恢復(fù)緩沖器和輸出電感L f 一起減小了環(huán)路電流.緩沖二極管D s 4和輸出電容C f 連在一起用于對從次級電壓V T 2到輸出電壓V 0的緩沖電容電壓V cs 2鉗位21.因此,簡化的FB -Z VZCS-P WM 變換器可以減小次級的暫態(tài)過電壓和環(huán)路電流.這個簡化的緩沖器也把開關(guān)損耗恢復(fù)到負(fù)載.3 移相FB-ZCS-P WM 變換器圖6是一種電流源型FB -ZCS -P WM 變換器22,其外特性與升壓電路(Boost一樣,L b 是升壓電感,C r 是諧振電容.變換器采用移相控制,Q 3和Q 4的驅(qū)動信號分別超前于Q 1和Q 2.同一橋臂的上下

12、兩管之間有一個重疊的開關(guān)時間,用來創(chuàng)造零電流開關(guān)條件.它的特點(diǎn)是:1輸出整流管自動實現(xiàn)ZVS 和ZCS 換流;2采用固定頻率控制和移相P WM 控制技術(shù);3在實現(xiàn)ZCS 的同時,變換器能保證較寬的負(fù)載調(diào)節(jié)范圍;4如果將升壓電感移到交流電壓輸入側(cè),則可以實現(xiàn)單級功率因數(shù)校正(PFC.但是對電路參數(shù)的要求很嚴(yán)格,如果保護(hù)措施不當(dāng),很容易產(chǎn)生過壓而損壞開關(guān)管.圖6 電流源型FB -ZCS-P WM 變換器圖7介紹了一種電壓源型的FB -ZCS -P WM 變換器,存在的問題是:所選用的輔助管額定功率必須與初級開關(guān)管相當(dāng),增加了成本 .圖7 電壓源型FB -ZCS-P WM 變換器4 其它新型移相全橋

13、電路4.1 半橋和全橋組合的電路拓?fù)渲麟娐啡鐖D8所示,該電路是由一個半橋部分和一個全橋部分組合而成.開關(guān)管Q 1、Q 2以及變壓器T 1構(gòu)成半橋部分;開關(guān)管Q 1、Q 2、Q 3、Q 4和變壓器T 2構(gòu)成全橋部分.Q 1、Q 2是共用的開關(guān)管.2個變壓器的副邊電壓經(jīng)疊加、整流后輸出給負(fù)載.整流輸出端并有二極管D 9用于輸出電流的續(xù)流;還有由C Z 、D Z 1、L Z 、D Z 2構(gòu)成的鉗位電路用于減小占空比的丟失.電路采用移相控制策略,可以實現(xiàn)輸出電壓控制 .圖8 主電路原理圖這種電路克服了傳統(tǒng)的移相全橋的缺點(diǎn),大幅度的擴(kuò)大了負(fù)載的適用范圍,即使在輕載的工作環(huán)境下也能實現(xiàn)4個主開關(guān)管的軟開關(guān)

14、,實現(xiàn)了真正意義上的全程ZVS .同時副邊鉗位電路的存在,也減小了占空比的損失23.4.2 帶抽頭電感的軟開關(guān)FB-P WM 變換器在變換器拓?fù)淅锢靡粋€抽頭電感濾波器,擴(kuò)大了軟開關(guān)負(fù)載范圍.而沒有使用附加的諧振電路和(或輔助開關(guān)器件,就可以大大減小電路中的環(huán)流量24.如圖9所示,抽頭電感濾波器用在變換器輸出端,在很寬的負(fù)載變化范圍下實現(xiàn)軟開關(guān).它的作用相當(dāng)29第28卷第12期 陳 柬,等: 移相全橋軟開關(guān)變換器拓?fù)浞治鲇跓o源鉗位元件整流電壓當(dāng)懸空時鉗位在正極.因此,整流二極管(二者之一就反向偏置,輸出電感電流流過懸空端的懸空二極管D 7.于是通過變壓器和初級電路的環(huán)路電流就得到了抑制.開關(guān)Q

15、 3開通時工作在ZVS 和ZCS 狀態(tài),關(guān)斷時工作在ZVS 狀態(tài);Q 4開通和關(guān)斷時都工作在ZCS 狀態(tài) .圖9 帶抽頭電感的軟開關(guān)PS-P WM 變換器4.3 隔離交錯的移相ZVS-P WM 變換器為了實現(xiàn)高容量的功率密度,低的電磁干擾(E M I和低成本,介紹一種新型隔離交錯的移相ZVS-P WM 變換器.它由2個半橋組成,不用輔助電路即可實現(xiàn)ZVS25.如圖10所示,有并聯(lián)型和串聯(lián)型2種.變壓器T 1和T 2具有相同的變比,并考慮勵磁電感和漏感.通過變換器2個支路之間的電壓移相而控制功率傳輸,每個支路工作半個周期.在這種方式下,就可以保證高頻變壓器的退磁.通過分析移相控制的一個周期的工作

16、狀態(tài),以看出開關(guān)控制是交錯式的.除此之外,所有的開關(guān)管都可以工作在Z VS.圖10 移相ZVS-P WM 變換器5 結(jié) 論移相FB -ZVS-P WM 變換器適合于高頻、大功率、開關(guān)器件采用MOSFET 的應(yīng)用場合.但副邊存在占空比丟失,具有大的導(dǎo)通損耗,歸根結(jié)底是因為電路拓?fù)?開關(guān)管選型,電路參數(shù)匹配,控制方式等方面存在不足,這是以后深入研究的方向.移相FB -Z VZCS -P WM 變換器更適用于大功率場合,比較適合I GBT .移相FB-ZCS-P WM 變換器比前二者具有更好的應(yīng)用前景,但目前尚處于研究階段.其它新型電路都有其各自突出的特點(diǎn),具有很大的實際用途.參考文獻(xiàn):1 楊旭,趙

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