多種全橋PWM-ZVSZCS變換器的特點與比較

1、多種全橋PWM-ZVSZCS變換器的特點與比較        摘  要：在介紹分析多種全橋PWM-ZVSZCS變換器的基礎(chǔ)上提出了一種新的電路拓樸結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)簡單、控制容易、便于實現(xiàn)和次級尖峰電壓低等優(yōu)點。 關(guān)鍵詞：全橋式變換器  零電壓零電流開關(guān)  次級鉗位 1  引  言 全橋變換器電路拓撲是目前國內(nèi)外DC-DC變換器中最常用的電路拓撲形式之一，在中大功率應(yīng)用場合更是首選拓撲。這主要是考慮它具有功率開關(guān)管器件電壓、電流額定值較小，功率變壓器利用率較高等明顯優(yōu)點

2、?；镜娜珮蜃儞Q電路根據(jù)供電方式的不同（輸入端所連接儲能元件的不同）可分為電壓（源）型和電流（源）兩類。其中電壓型DC-DC全橋變換電路是由基本的Buck變換電路演變而來，因此又稱為全橋Buck變換器，在實際中得到廣泛的應(yīng)用。其拓撲形式如下圖：圖1.1  基本全橋變換電路近年來， IGBT得到迅速的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，然而IGBT在關(guān)斷時有較長的拖尾電流，使IGBT工作在較高開關(guān)頻率時開關(guān)損耗較大并需要較長的死區(qū)時間，因而限制了工作頻率的進一步提高。電路中IGBT如果在關(guān)斷之前少數(shù)載流子就已經(jīng)復(fù)合完畢，那么IGBT將基本上不存在關(guān)斷損耗。因此全橋零電壓零電流開關(guān)變換器（FB-ZVSCS-

3、PWM）比較適合IGBT。所謂ZVSCS就是超前臂開關(guān)管實現(xiàn)零電壓導(dǎo)通和關(guān)斷，超前管的零電壓工作過程與零電壓移相全橋電路的超前管相同。滯后臂開關(guān)管實現(xiàn)零電流導(dǎo)通和關(guān)斷，從而解決了基本的移相變換器中滯后臂開關(guān)管零電壓開關(guān)困難的問題。滯后臂零電流是在原邊電壓過零期間，使原邊電流復(fù)位而實現(xiàn)的。原邊電流復(fù)位目前有以下幾種方法：(1) 利用超前臂開關(guān)管的反向雪崩擊穿，使儲存在變壓器漏感中的能量完全消耗在超前臂的IGBT，為滯后臂提供零電流開關(guān)條件。后面提到的雙極性控制方式的全橋，其滯后臂實現(xiàn)的零電流開關(guān)就屬于此類。(2) 在變壓器原邊使用隔直電容和飽和電感，在原邊電壓過零期間，將隔直電容上的電壓作為反向

4、阻斷電壓源，使原邊電流復(fù)位，為滯后臂提供零電流開關(guān)的條件。(3) 在變壓器副邊整流器輸出端并聯(lián)電容，在原邊電壓過零期間，將副邊電容上的電壓反射到原邊作為反向阻斷電壓源，使原邊電流復(fù)位，為滯后臂提供零電流開關(guān)的條件。2  采用有限雙極性控制方法的FB-ZVSCS-PWM電路 圖2為采用有限雙極性控制方法的FB-ZVSCS-PWM電路變換器的基本原理圖。該拓撲中IGBT沒有反向續(xù)流二極管，通過這種方式，全橋的一個橋臂（VT3,VT4）實現(xiàn)了零電壓開關(guān)工作模式,另一個橋臂（VT1,VT2）實現(xiàn)零電流開關(guān)工作模式。   圖2  采用有限雙極性控制方法的

5、FB-ZVSCS-PWM電路該電路的控制時序如圖3，同傳統(tǒng)的移相控制相比，VT3,VT4,的導(dǎo)通時間是隨占空比的變化而調(diào)整的。VT1,VT4同時導(dǎo)通，在某一時刻VT4關(guān)斷，C3,C4作為Snubber電容為VT4的關(guān)斷提供了零電壓條件。此后，高頻變壓器的原邊的電流對C3,C4分別進行充放電，當(dāng)C4的電壓充到比輸入電壓 高30V左右時，VT3發(fā)生反向雪崩，雪崩過程持續(xù)到 的能量全部消耗在VT3上， 衰減為零為止。 剛減到零時，C4上的電壓仍高于 ，因此一個較小的電流將通過VT1回流，這恰好復(fù)合VT1中的存儲電荷，從而使VT1中的拖尾電流得以真正消除，使VT1能夠在零電流條件下關(guān)斷。圖3 有限雙極

6、性控制觸發(fā)波形該電路無需增加任何元件，減少了IGBT的反并聯(lián)二極管，實現(xiàn)了ZVSCS-PWM且控制方式也不復(fù)雜。但由于采用超前管方向雪崩來消耗變壓器原邊電流的能量，開關(guān)管上的功耗增加，使開關(guān)管發(fā)熱增加。 3  原邊使用飽和電抗的FB-ZVSCS-PWM電路   圖4是原邊加隔直電容和飽和電感的全橋ZVSCS-PWM變換器的基本原理圖。它在基本的全橋移相式ZVS-PWM變換器的基礎(chǔ)上增加了一個飽和電感 ，并在主回路上增加了一個阻擋電容 。滯后橋臂開關(guān)管 實現(xiàn)零電流開通與關(guān)斷，因此不再并聯(lián)電容，以避免開通時電容釋放能量加大開通損耗；超前橋臂仍和ZVS-PWM一樣，利用

7、開關(guān)管 上并聯(lián)電容的辦法實現(xiàn)零電壓開關(guān)（ZVS）。主電路四個開關(guān)管的控制信號與全橋移相ZVS-PWM變換器的控制方案完全一致，通過移相方式控制主回路的有效占空比。阻擋電容 與飽和電感 適當(dāng)配合，能使變換器滯后臂上的主開關(guān)管實現(xiàn)零電流開關(guān)（ZCS）。 圖4 原邊使用飽和電抗的FB-ZVSCS-PWM FB電路當(dāng)變換器橋臂斜對角兩只組功率開關(guān)管同時導(dǎo)通時，輸入電源的能量傳送到副邊， 由原邊電流充電，飽和電感處于飽和狀態(tài)。在超前管狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程完成后原邊處于續(xù)流階段時， 恰好成為一個反向阻斷電壓使原邊電流下降到零，當(dāng)電流試圖反方向變化時，飽和電感退出飽和阻止電流的變化，使電流保持零。從而實現(xiàn)滯后臂的零

8、電流開關(guān)。該電路的缺點：實際運行中飽和電感上有較大損耗，引出飽和電感磁芯的散熱問題。并且變換器原邊零電流開通的時刻受飽和電感限制比較嚴格，飽和電感的繞制工藝要求也較高。 4  變壓器副邊鉗位的FB-ZVSCS-PWM電路 4.1 變壓器副邊采用有源鉗位的ZVSCS-PWM FB電路 圖5是變壓器副邊帶有有源鉗位開關(guān)的ZVSCS-PWM電路圖。變壓器原邊功率開關(guān)管的控制采用移相式PWM控制。相當(dāng)于在變換器副邊引入一電壓源在原邊續(xù)流期間對原邊電流復(fù)位。當(dāng)變換器橋臂斜對角兩只主功率開關(guān)管同時導(dǎo)通時，輸入電源的能量傳送到副邊，副邊鉗位電容 通過鉗位開關(guān)管 的反并聯(lián)二極管充電至 （ ）并保持，

9、在超前臂完成狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程后即原邊續(xù)流階段時，觸發(fā)鉗位開關(guān)管 ，鉗位電容 上的電壓反射到原邊作為一個反向阻斷電壓源使原邊電流迅速下降到零，從而實現(xiàn)滯后臂的零電流開關(guān)。超前臂開關(guān)管的零電壓導(dǎo)通、關(guān)斷過程與基本移相式FB-ZVS-PWM變換器完全相同。  圖5  變壓器副邊帶有有源鉗位開關(guān)的ZVSCS-PWM電路該電路很好的解決了原邊使用飽和電抗的ZVSCS-PWM FB電路中的問題，但需要增加一個功率開關(guān)管，因此提高了電路成本和控制難度。另外在鉗位電容充電時，副邊將產(chǎn)生2倍于 的電壓尖峰。4.2  使用無源無損網(wǎng)絡(luò)的副邊鉗位的ZVSCS-PWM FB電路 在

10、有源鉗位的ZVSCS-PWM FB電路的基礎(chǔ)上提出的無源副邊鉗位的ZVSCS-PWM FB電路。去掉了副邊的功率開關(guān)管，讓鉗位電容在輸入電源的能量傳送到副邊時通過一條二極管通路充電，在超前臂完成狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程后即原邊續(xù)流階段時從另外的二極管通路放電，從而使鉗位電容上的電壓反射到原邊使原邊電流迅速下降到零，實現(xiàn)滯后臂的零電流開關(guān)。在此類電路中，放電通路的二極管在電容充電時不導(dǎo)通，同樣，充電通路的二極管在電容放電時也不導(dǎo)通。以下是幾種已經(jīng)提出的副邊無源鉗位的ZVSCS-PWM FB電路：(A)    (B) (C) 圖6 副邊無源鉗位的ZVSCS-PWM FB電路1) 

11、      圖6(A)所示的電路中副邊鉗位電容 的充電電路為變壓器副邊的整流輸出到 再到二極管 再到 ，在原邊續(xù)流階段，由于 小于 上的電壓， 分別通過 放電使原邊電流迅速下降到零。該電路比副邊有源鉗位的ZVSCS-PWM FB電路減少了功率開關(guān)管降低了控制難度和成本。但在鉗位電容充電時，副邊仍然將產(chǎn)生2倍于 的電壓尖峰。2)       圖6(B)所示的電路中副邊鉗位電容 的充電電路為附加繞組的整流輸出，附加繞組的匝數(shù)遠小于變壓器副邊匝數(shù)的一半，因此 上的電壓不會超過 充電過程中 不

12、會導(dǎo)通，同時副邊不會產(chǎn)生電壓尖峰。變換器續(xù)流階段，當(dāng) 下降到小于 上的電壓時， 導(dǎo)通， 放電使原邊電流迅速下降到零。該電路克服了，電路中電壓尖峰的問題。但增加了繞組，增加了工藝難度和成本。3)       圖6(C)所示的電路中副邊鉗位電容 的充電電路為變壓器副邊的整流輸出到 再到二極管 再到 ，由于 較大可以看成恒壓源，因此 充電完成后其上的電壓為 ，同時 的電壓最高為 。變換器續(xù)流階段，當(dāng) 下降到小于 上的電壓時， 導(dǎo)通， 放電使原邊電流迅速下降到零。該電路在無需增加繞組的情況下使副邊電壓 的峰值下降，電路較簡單實現(xiàn)容易。但該電路

13、副邊電壓 的峰值由 和 決定，當(dāng)變換器軟啟動時， 很小且上升很慢，此時電路副邊電壓 也將出現(xiàn)比較大的尖峰。同時在占空比較小時， 較大 較小， 的尖峰也將較大。4)        另外，本文作者提出了一種新型次級鉗位FB-ZVSCS PWM變換器，如圖7。在上面介紹的FB-ZVSCS PWM變換器的基礎(chǔ)上加以改進，無需在基本移相全橋的基礎(chǔ)上增加功率開關(guān)管，也不需要增加飽和電抗器或增加繞組，實現(xiàn)滯后臂的零電流開關(guān)。降低了控制難度和工藝復(fù)雜性。同時通過一個鉗位二極管的作用使副邊電壓鉗位，降低了副邊電壓的尖峰。  

14、;圖7  新型FB-ZVSCS PWM變換器拓撲 新型次級鉗位FB-ZVSCS PWM變換器在傳統(tǒng)電路的基礎(chǔ)上，變壓器的次級采用全波整流帶中間抽頭的結(jié)構(gòu)，中間抽頭通過一個二極管 連接一個電容 ，該電容通過另一個二極管 與變壓器副邊輸出相連。當(dāng)變換器的能量由變壓器的原邊轉(zhuǎn)移到副邊時 充電。由于二極管 的鉗位作用， 的電壓最大不會超過 ，在 充電過程中 的電壓被鉗位在 。 在能量傳遞階段不會導(dǎo)通。當(dāng)變壓器原邊電壓下降時，副邊的電壓 也相應(yīng)下降，當(dāng) 降到小于 的電壓時， 導(dǎo)通，使副邊電壓下降的速度小于原邊，副邊繞組的電流的下降速度也將小于原邊，相當(dāng)于在原邊增加了一個反相的電壓，使原邊的電流迅速降為零，減小了環(huán)流的損耗和占空比損失，并使滯后管實現(xiàn)了零電流開通。該電路副邊電壓 的峰值為 ，在變換器軟啟動時 小， 也很小，不會產(chǎn)生很高的尖峰。克服了3)中電路軟啟動電壓尖峰的問題。但是在占空比大， 大， 的電壓尖峰也較高。因此在占空比較小時（0.60.7），該電路的優(yōu)點最為明顯。而在占空比較大時（0.80.9），可選用3）中提出的電路，但在軟啟動時要在鉗位電容兩邊加穩(wěn)壓管鉗位電壓。5  結(jié)  論 本文比較和分析了當(dāng)今已提出的多種FB-PWM-ZVSZCS變換器的優(yōu)缺點，并提出了一種新型的FB-PW