|
|||||||||||
| 技術(shù)交流 | 電路欣賞 | 工控天地 | 數(shù)字廣電 | 通信技術(shù) | 電源技術(shù) | 測(cè)控之家 | EMC技術(shù) | ARM技術(shù) | EDA技術(shù) | PCB技術(shù) | 嵌入式系統(tǒng) 驅(qū)動(dòng)編程 | 集成電路 | 器件替換 | 模擬技術(shù) | 新手園地 | 單 片 機(jī) | DSP技術(shù) | MCU技術(shù) | IC 設(shè)計(jì) | IC 產(chǎn)業(yè) | CAN-bus/DeviceNe |
PS-ZVZCS-PWM軟開關(guān)技術(shù) |
| 作者：輕輕紅過 欄目：電源技術(shù) |
一、引言 將諧振變換器與PWM技術(shù)結(jié)合起來構(gòu)成軟開關(guān)PWM的控制方法，集諧振變換器與PWM控制的優(yōu)點(diǎn)于一體，既能實(shí)現(xiàn)功率開關(guān)管的軟開關(guān)，又能實(shí)現(xiàn)恒頻控制，是當(dāng)今電力子技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展方向之一。在直/直變換器中，則以全橋移相移控制軟開關(guān)PWM變換器的研究十分活躍，它是直流電源實(shí)現(xiàn)高頻化的理想拓?fù)渲�，尤其是在中、大功率的�?yīng)用場(chǎng)合。 目前全橋移相控制軟開關(guān)PWM變換器的研究熱點(diǎn)已由單純地實(shí)現(xiàn)零電壓軟開關(guān)（ZVS）轉(zhuǎn)向同時(shí)實(shí)現(xiàn)零壓零流軟開關(guān)（ZVZCS）。全橋移相控制ZVS方案至少有四點(diǎn)缺陷： 全橋電路內(nèi)有自循環(huán)能量，影響變換效率。 副邊存在占空度丟失，最大占空度利用不充分。 在副邊整流管換流時(shí)，存在諧振電感與整流管的寄生電容的強(qiáng)烈振蕩，導(dǎo)致整流管的電壓應(yīng)力較高，吸收電路的損耗較大，且有較大的開關(guān)噪音。 滯后臂實(shí)現(xiàn)零電壓軟開關(guān)的范圍受負(fù)載和電源電壓的影響。 另外，在功率器件發(fā)展領(lǐng)域，IGBT以其優(yōu)越的性價(jià)比，在中大功率的應(yīng)用場(chǎng)合已普遍實(shí)用化，適合將IGBT的開關(guān)方式軟化的技術(shù)則是零電流開關(guān)（ZCS）。 因而，針對(duì)全橋移相控制ZVS方案存在的問題，各種全橋相移ZVZCS軟開關(guān)的方案應(yīng)運(yùn)而生。 二、全橋ZVZCS軟開關(guān)技術(shù)方案比較 目前，正在研究或已產(chǎn)品化的全橋ZVZCS軟開關(guān)技術(shù)主要有以下3種： 變壓器原邊串聯(lián)飽和電感和適當(dāng)容量的隔直阻斷電容。 變壓器原邊串聯(lián)適當(dāng)容量的隔直阻斷電容，同時(shí)滯后臂的開關(guān)管串聯(lián)二極管。 利用IGBT的反向雪崩擊穿電壓使原邊電流復(fù)位的方法實(shí)現(xiàn)ZCS軟開關(guān)。 除方案3為有限雙極性控制方式以外，其它幾種方案的控制方式全為相移PWM方式。 上述幾種方案都能解決全橋相移ZVS的固有缺陷，如大幅度地降低電路內(nèi)部的自循環(huán)能量，提高變換效率；減少副邊的占空度丟失，提高最大占空度的利用率；軟開關(guān)實(shí)現(xiàn)范圍基本不受電源電壓和負(fù)載變化的影響，實(shí)現(xiàn)全負(fù)載范圍內(nèi)的高變換效率。為提高電路的開關(guān)頻率準(zhǔn)備了條件，使整機(jī)的輕量化，小型化成為可能，可進(jìn)一步提高整機(jī)的功率變換密度，符合電力電子行業(yè)的發(fā)展方向。 但是經(jīng)過仔細(xì)分析這幾種方案，還是有如下不足之處： 這三種方案都是在變壓器的原邊采取措施實(shí)現(xiàn)ZVZCS軟開關(guān)，為了使原邊電流復(fù)位，它們都付出了使原邊損耗加大的代價(jià)。飽和電感是有損耗器件，且在開關(guān)頻率較高時(shí)，損耗會(huì)加大，對(duì)飽和電感磁芯材料的要求也很高，不易產(chǎn)品化。滯后臂的開關(guān)管串聯(lián)二極管會(huì)增加功率傳輸時(shí)的損耗，二極管的發(fā)熱量不小，需要散熱器固定。利用IGBT的反向雪崩擊穿電壓使原邊電流復(fù)位則是使變壓器原邊漏感能量消耗在IGBT上，且受IGBT反向雪崩擊穿能量的限制，影響IGBT的可靠運(yùn)用。 這三種方案由于在副邊都沒有采取措施，則為了防止在副邊整流管換流時(shí)，變壓器漏感與整流管寄生電容的強(qiáng)烈振蕩和由于二極管反向恢復(fù)電流引起的整流管電壓應(yīng)力過高，勢(shì)必要在整流管上加RC吸收，以降低反向尖峰電壓，此時(shí)RC吸收電路會(huì)帶來?yè)p耗，且反向尖峰電壓的抑制作用達(dá)不到最佳效果，同時(shí)易引起較大的開關(guān)噪音。在選擇整流管的耐壓定額時(shí)，要考慮此反向尖峰電壓的影響。 三、不對(duì)稱全橋相移式零壓零流軟開關(guān)電路的提出 針對(duì)以上全橋ZVZCS軟開關(guān)方案的問題，我們提出了不對(duì)稱全橋相移式零壓零流（PS-ZVZCS-PWM）軟開關(guān)電路，與前述幾種方案相比有如下優(yōu)勢(shì)： 主變壓器原邊電路無有損器件，原邊損耗降至最低，整個(gè)電路也無外加有損吸收器件，大大提高整機(jī)的變換效率。 由于在變壓器副邊采取了有源鉗位的措施，RC吸收電路可以取消，降低損耗，且二極管反向尖峰電壓的抑制效果最佳，在選擇整流管的耐壓定額時(shí)，可以取低一級(jí)耐壓的二極管，利于進(jìn)一步提高效率和可靠性，同時(shí)由整流管寄生參數(shù)引起的振蕩也大大減弱。 在使原邊電流復(fù)位的時(shí)間上，此方案與前述幾種方案相比，時(shí)間是最短的，而且此方案基本不存在副邊占空度的丟失問題，在最大占空度的利用率上，此方案最佳。 在防止全橋主變壓器的直流磁偏的問題上，我們采用最簡(jiǎn)單可靠的方法，在原邊串聯(lián)隔直電容，同時(shí)提出不對(duì)稱全橋的概念，成功地阻止了原邊電流復(fù)位以后，由于隔直電容的加入而使原邊電流繼續(xù)反向流動(dòng)的趨勢(shì)，使原邊電流回零以后能保持住。 四、不對(duì)稱全橋相移式零壓零流軟開關(guān)電路方案原理介紹 主電路原理簡(jiǎn)圖如下：附件 1055993323.doc 從主電路的拓?fù)湫问缴�，可以看出是不�?duì)稱的。四只主功率管的基本控制方式是移相控制，超前臂為S1，S3，反并二極管和外接吸收電容，滯后臂為S2，S4，無反并二極管和吸收電容。輔管SC的控制時(shí)序是以超前臂S1，S3控制脈沖的上升沿觸發(fā)一單穩(wěn)高電平信號(hào)，控制輔管的開通時(shí)間。因而輔管的開關(guān)頻率是原邊主管的兩倍。本電路的目的是實(shí)現(xiàn)超前臂S1，S3零電壓開關(guān)，滯后臂S2，S4零電流開關(guān)，降低主管的開關(guān)損耗，為提高整機(jī)的工作頻率，同時(shí)實(shí)現(xiàn)全負(fù)載范圍內(nèi)的高變換效率準(zhǔn)備條件。工作過程簡(jiǎn)述如下。 當(dāng)S1，S4開通時(shí)，原邊能量向副邊傳輸。S1關(guān)斷后，原邊電流轉(zhuǎn)向C1，C2，C1充電，C2放電，此時(shí)S1上的關(guān)斷電壓是緩慢上升的，屬零電壓關(guān)斷。直至下管S3的反并二極管導(dǎo)通。此時(shí)開通下管S3，屬零點(diǎn)壓開通。S3開通脈沖的上升沿同時(shí)觸發(fā)一高電平開通輔管SC，此時(shí)，副邊鉗位電容的電壓加在副邊上成為激勵(lì)，原邊會(huì)感應(yīng)出較高的電壓，此電壓的作用是使原邊電流迅速?gòu)?fù)位，為滯后臂S2，S4零電流開關(guān)準(zhǔn)備條件。原邊電流回零以后，輔管SC才關(guān)斷。輔管一旦關(guān)閉，副邊相當(dāng)于短路，原邊電壓相應(yīng)也為零，此時(shí)隔直電容C3上的電壓會(huì)反加在滯后臂S4管上，設(shè)計(jì)時(shí)，只要遵循限制隔直電容上脈動(dòng)電壓幅值的原則，合理地運(yùn)用IGBT的倒置特性，就能成功地防止變壓器原邊電流的逆向流動(dòng)，并且保證IGBT不發(fā)生反向雪崩擊穿。此后，滯后臂S4零電流關(guān)斷。由于原邊漏感的存在，滯后臂S2的開通也為零電流開通。原邊電流反向，進(jìn)入下半個(gè)周期的循環(huán)，此時(shí)副邊整流管也正在完成換向，由于鉗位電容CC的存在，整流管的反向尖峰電壓能夠很好地抑制。 本電路方案的副邊整流方式不僅適于全波整流，同樣也適于全橋整流方式，基本工作原理保持不變。 五、理論仿真及試驗(yàn)驗(yàn)證 對(duì)上述方案進(jìn)行了理論仿真，同時(shí)在我公司的ZXD800 15A一次電源上也進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析和仿真完全一致，證明了該方案的可行性，實(shí)用性。下面是在我公司的ZXD800 15A一次電源上，比較輕載時(shí)，ZVS與ZVZCS兩種方案的效率數(shù)據(jù)： 負(fù)載 3A 4A 6A ZVS方案 74.93% 79.07% 84.05% ZVZCS方案 80.86% 83.54% 86.6% 可以看出輕載時(shí)，整機(jī)變換效率有大幅提高，符合全負(fù)載范圍內(nèi)保持高的變換效率 的要求。 六、結(jié)論 本文所提出的不對(duì)稱全橋相移式零壓零流軟開關(guān)電路，普遍適用于中大功率的直直變換器中，是目前實(shí)現(xiàn)全橋軟開關(guān)功率變換的一種實(shí)用理想的方案，為整機(jī)的高頻化，輕量化和小型化創(chuàng)造了條件。可以在諸如通信電源，電力操作電源，直流焊機(jī)電源等需要中大功率輸出的開關(guān)電源系統(tǒng)中大力推廣，具有潛在的積極的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。 |
| 免費(fèi)注冊(cè)為維庫(kù)電子開發(fā)網(wǎng)會(huì)員，參與電子工程師社區(qū)討論，點(diǎn)此進(jìn)入 |
Copyright © 1998-2006 m.58mhw.cn 浙ICP證030469號(hào) |