零電流零電壓開(kāi)關(guān)交錯(cuò)并聯(lián)雙管正激變換器的研究

1    引言

    雙管正激變換器具有開(kāi)關(guān)管電壓應(yīng)力低，不存在橋臂直通危險(xiǎn)，可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。但是，它的一個(gè)突出缺點(diǎn)是工作占空比要小于0.5，導(dǎo)致整流輸出的電壓和電流脈動(dòng)較大，使得濾波器的體積較大。為了克服這一缺點(diǎn)，可以采用交錯(cuò)并聯(lián)結(jié)構(gòu)，對(duì)于輸出端，有兩種并聯(lián)方式：一是在輸出濾波電容側(cè)并聯(lián)，二是在續(xù)流二極管側(cè)并聯(lián)。后者要優(yōu)于前者，因?yàn)椋谳敵鲭娏髅}動(dòng)相同時(shí)，在續(xù)流二極管側(cè)并聯(lián)的濾波電感量是在輸出濾波電容側(cè)并聯(lián)的濾波電感量的1/2。本文研究的電路拓?fù)淙鐖D1所示。采用交錯(cuò)控制可以提高等效輸出占空比，提高變換器的等效頻率，減小輸出電流脈動(dòng)，進(jìn)而減小濾波器的體積^[1]。

圖1    交錯(cuò)并聯(lián)雙管正激變換器原理圖

    為了抑制開(kāi)關(guān)管上在關(guān)斷時(shí)由于變壓器漏感所產(chǎn)生的電壓尖峰，所以，在圖1的電路拓?fù)渲胁捎昧薒CD無(wú)損吸收網(wǎng)絡(luò)^[2]。

2    工作過(guò)程分析

    兩個(gè)變換器的變壓器的兩個(gè)副邊交錯(cuò)并聯(lián)后，在輸出濾波電容處再串聯(lián)。為了簡(jiǎn)化分析，在圖2開(kāi)關(guān)模態(tài)等效電路中只畫(huà)了每個(gè)變壓器的一個(gè)副邊。并假設(shè)所有開(kāi)關(guān)和二極管均為理想器件，考慮變壓器輸出端的續(xù)流二極管和整流二極管的換流過(guò)程，MOSFET的漏源之間的結(jié)電容大小均為C_s；C₁=C₂，L₁=L₂；變壓器變比n=N₁/N₂，兩變壓器的漏感大小均為L_lk；濾波電感足夠大，這樣濾波電感和濾波電容及負(fù)載電阻可以看成一個(gè)電流為I_o的恒流源。

（a）模態(tài)1

（b）模態(tài)2

（c）模態(tài)3

（d）模態(tài)4

（e）模態(tài)5

（f）模態(tài)6  [!--empirenews.page--]

（g）模態(tài)7

圖2    各開(kāi)關(guān)模態(tài)的等效電路

    在前半個(gè)開(kāi)關(guān)周期中，該電路拓?fù)溆?個(gè)開(kāi)關(guān)模態(tài)，對(duì)應(yīng)等效電路如圖2所示。而后半個(gè)開(kāi)關(guān)周期，與之相似。主要波形圖見(jiàn)圖3。

圖3    主要波形圖

2.1    開(kāi)關(guān)模態(tài)1[t₀－t₁]

    在t₀時(shí)刻前，S₁上的電壓為u_ds1，S₂上的電壓為u_ds2，且u_ds1>u_ds2，其大小后面將會(huì)解釋，變壓器T₂通過(guò)D₃，D₄磁復(fù)位。t₀時(shí)刻，S₁和S₂同時(shí)開(kāi)通。由于變壓器有一定的漏感，使得變壓器T₁原邊電流由零逐漸增大到2I_o/n，且I_o從D₁₁中換流到D₉中。這時(shí)，C₁上的初始電壓為－U_c，且U_c<U_in，同時(shí)L₁，C₁和D₅通過(guò)S₁諧振。此開(kāi)關(guān)模態(tài)直到變壓器T₁原邊電流達(dá)到2I_o/n時(shí)結(jié)束，持續(xù)時(shí)間為

    t₁－t₀=    （1）

2.2    開(kāi)關(guān)模態(tài)2[t₁－t₂]

    變壓器T₂繼續(xù)磁復(fù)位。L₁，C₁和D₅通過(guò)S₁繼續(xù)諧振，直到電容C₁上的電壓由－U_c變?yōu)椋?i>U_c，此開(kāi)關(guān)模態(tài)結(jié)束。

2.3    開(kāi)關(guān)模態(tài)3[t₂－t₃]

    S₁，S₂繼續(xù)開(kāi)通。變壓器T₂繼續(xù)磁復(fù)位，直到i_Lm2=0時(shí)，此開(kāi)關(guān)模態(tài)結(jié)束。

2.4    開(kāi)關(guān)模態(tài)4[t₃－t₄]

    S₁，S₂繼續(xù)開(kāi)通。L₂相對(duì)L_m2很小，在此可忽略。變壓器T₂原邊勵(lì)磁電感L_m2，漏感L_lk2，S₃與S₄的結(jié)電容C_s3，C_s4和C₂及D₇經(jīng)U_in諧振。從電路結(jié)構(gòu)上可以看出，C₂和S₃的結(jié)電容C_s3相當(dāng)于并聯(lián)，且C₂比結(jié)電容C_s3大很多，所以S₃上的電壓下降速度要比S4的慢很多。

2.5    開(kāi)關(guān)模態(tài)5[t₄－t₅]

    t₄時(shí)刻，S₁，S₂在零電壓下關(guān)斷。D₆開(kāi)通，折算到原邊的負(fù)載電流2I_o/n和勵(lì)磁電流i_m1給S₁，S₂的結(jié)電容C_s1，C_s2充電，同時(shí)，C₁被放電。變壓器T₂原邊勵(lì)磁電感L_m2，漏感L_lk2，S₃與S₄的結(jié)電容C_s3，C_s4和C₂及D7經(jīng)U_in繼續(xù)諧振。此開(kāi)關(guān)模態(tài)在u_c1=0，u_ds1=u_ds2=U_in/2時(shí)結(jié)束，持續(xù)時(shí)間為：

    t₅－t₄=    （2）

2.6    開(kāi)關(guān)模態(tài)6[t₅－t₆]

    S₁，S₂的結(jié)電容C_s1，C_s2繼續(xù)被充電，C₁繼續(xù)放電，使得變壓器T₁原邊承受反壓，D₉關(guān)斷，D₁₁續(xù)流，則變壓器T₁原邊中只有勵(lì)磁電流i_m1。變壓器T₂原邊勵(lì)磁電感L_m2，漏感L_lk2，S₃與S₄的結(jié)電容C_s3，C_s4和C₂及D₇經(jīng)U_in繼續(xù)諧振，T₂同名端電壓為正時(shí)，D₉和D₁₁同時(shí)開(kāi)通，T₂的勵(lì)磁電流i_Lm2流經(jīng)D₉，把變壓器T₂副邊箝位在零，使得u_ds4<U_c=u_ds3<U_in，并保持不變，直到下次開(kāi)通。

2.7    開(kāi)關(guān)模態(tài)7[t₆－t₇]

    在t₆時(shí)刻，u_ds1=u_ds2=U_in，u_c1=－U_in，u_c2=－U_c，D₁和D₂開(kāi)通，變壓器T₁通過(guò)D₁，D₂進(jìn)行磁復(fù)位，直到S₃，S₄同時(shí)開(kāi)通時(shí)結(jié)束，即下半個(gè)周期開(kāi)始時(shí)結(jié)束。

3    實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1    電路的主要參數(shù)

    U_in=270V；U_out=360V；P_o=2kW；f_s=50kHz；變比n=1.08；L_lk=5μH；L_m=2.7mH。 [!--empirenews.page--]

3.2    實(shí)驗(yàn)波形

    實(shí)驗(yàn)波形如圖4—圖6所示。圖4為原邊電流波形和開(kāi)關(guān)S₁上的電壓波形，開(kāi)通時(shí)，開(kāi)關(guān)管中的電流從零開(kāi)始逐漸增加，開(kāi)關(guān)管以ZVS關(guān)斷后，原邊以恒流給開(kāi)關(guān)管的漏源結(jié)電容充電。圖5和圖6分別為驅(qū)動(dòng)電壓和開(kāi)關(guān)S₁和S₂上的電壓波形，可以看出，在開(kāi)關(guān)S₁和S₂關(guān)斷的后期，上管S₁上的電壓下降很少，而下管S₂上的電壓下降很多。

圖4    原邊電流和開(kāi)關(guān)S₁電壓波形

圖5    驅(qū)動(dòng)電壓和開(kāi)關(guān)S₁電壓波形

圖6    驅(qū)動(dòng)電壓和開(kāi)關(guān)S₂電壓波形

3.3    效率

    所研發(fā)的2kW的DC/DC變換器，在滿載時(shí)，效率為92.1％。

4    結(jié)語(yǔ)

    1）借助變壓器的漏感，實(shí)現(xiàn)了ZCS開(kāi)通，采用IRFP460作為開(kāi)關(guān)管，實(shí)現(xiàn)了ZVS關(guān)斷。

    2）LCD箝位網(wǎng)絡(luò)抑制了關(guān)斷時(shí)因變壓器漏感在開(kāi)關(guān)管上產(chǎn)生的電壓尖峰。