适合于宽负载条件运行的有限双极性软开关DC/DC变换器

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O 引言

  

全桥移相ZVS变换器近年来得到了广泛关注,在中大功率的通讯电源和电力操作电源中得到广泛的应用。然而,这种控制方法有以下几个明显的缺点。

  

(1)滞后臂开关管在轻载下将失去零电压开关功能;

  

(2)为了实现滞后臂的ZVS,必须在电路中串联电感,这会引起占空比丢失,增人了原边电流定额;

  

(3)原边存在较大环流,增加了系统通态损耗。

  

为了解决这些问题,人们针对IGBT拖尾电流大的特点义提出了全桥移相ZVZCS变换器。其主要思路是超前臂实现ZVS,滞后臂实现ZCS,从而从根本上解决了原先全桥移相ZVS变换器中滞后臂零电压开关困难的问题。由于不需要外加电感,占空比丢失问题随之解决,环流也大大减小。实现滞后臂的ZCS目前主要有以下几种办法。

  

(1)副边有源箝位的ZVZCS方法,但增加了成本,并由于需要复杂的隔离驱动而降低了可靠性;

  

(2)副边无源箝位和原边无源箝位;

  

(3)利用IGBT的反向雪崩击穿电压;

  

(4)原边串联饱和电感和隔直阻断电容。

  

但移相控制本身还有一个难以克服的缺点,即死区时间不好调整。当负载较重时,由于环流大,超前臂功率管上并联的电容放电较快,因此实现零电压导通比较容易,但当负载较轻时,超前臂功率管上并联的电容放电很慢,超前桥臂的开关管必须延时很长时间才能实现ZVS导通。传统的移相控制很难调整这个死区时间。

  

本文研究了一种名为有限双极性控制的控制方法,配合上面介绍的原边串联饱和电感和隔直电容的ZVZCS PWM全桥拓扑,可以在很宽的负载范围内实现超前臂的ZVS和滞后臂的ZCS。

  

1 ZVZCS PWM全桥电路有限双极性控制原理分析

  

l.1 电路拓扑

  

有限双极性控制ZVZCS PWM全桥电路拓扑如图1所示。S1~S4共4个功率管(内带续流二极管)组成一个全桥电路。其中,S1、S2组成超前桥臂,两端分别并联吸收电容C1、C2、S3、S4组成滞后桥臂;Cb为隔直电容,Ls为饱和电感。

 

  

l.2 工作原理

  

改进传统的移相PWM电路,采用有限双极性的控制方法,超前臂与滞后臂同时开通,并且在超前臂与滞后臂之间串联一个隔直电容Cb以及饱和电感Ls。饱和电感相当于一个开关,有电流的时候电感饱和,相当于短路;没有电流或电流很小时,有较大电感。利用隔直电容在环流期间加速环流衰减,使得滞后臂实现零电流关断,并且利用饱和电感Ls阻止LC振荡电流反向(反向电流不足以使饱和电感饱和,其电感值很大);在滞后臂开通时.由于饱和电感处于不饱和状态,电流上升慢,实现零电流开通。图2所示即为全桥有限双极性控制时序及各主要变量响应图。其中,vgs1~vgs4为S1~S4管的驱动波形,Uab为ab两点间电压,ip为原边电流。

 

  

1.2.1 模态1——功率传输

  

在t0~t1时刻,S1和S4导通,此时电流ip一方面通过变压器原边将电能传输到负载,另一方面给阻断电容cb充电,Ls处于饱和状态,电容Cb电压线性增加。Ip=I0/n恒定不变。如图3所示。

 

  

1.2. 2 模态2——超前臂的零电压关断

  

超前臂S1于t1时刻关断,原边电流ip从S1中转移到C1、C2支路中,C1充电,C2放电。因为C1电压不能突变,开始时为零,实现S1的零电压关断;饱和电抗器流过电流,尚未退出饱和状态,阻抗为零。当Uc2降到零,二极管D2续流,t2时刻S2上的电压为零,为以后S2的零电压开通做好准备。如图4所示。