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[導(dǎo)讀]移相控制的全橋PWM變換器是最常用的中大功率DC/DC變換電路拓?fù)湫问街?。移相PWM控制方式利用開(kāi)關(guān)管的結(jié)電容和高頻變壓器的漏電感或原邊串聯(lián)電感作為諧振元件,使開(kāi)關(guān)管能進(jìn)

移相控制的全橋PWM變換器是最常用的中大功率DC/DC變換電路拓?fù)湫问街?。移相PWM控制方式利用開(kāi)關(guān)管的結(jié)電容和高頻變壓器的漏電感或原邊串聯(lián)電感作為諧振元件,使開(kāi)關(guān)管能進(jìn)行零電壓開(kāi)通和關(guān)斷,從而有效地降低了電路的開(kāi)關(guān)損耗和開(kāi)關(guān)噪聲,減少了器件開(kāi)關(guān)過(guò)程中產(chǎn)生的電磁干擾,為變換器提高開(kāi)關(guān)頻率、提高效率、減小尺寸及減輕質(zhì)量提供了良好的條件。然而,傳統(tǒng)的移相全橋變換器的輸出整流二極管存在反向恢復(fù)過(guò)程,會(huì)引起寄生振蕩,二極管上存在很高的尖峰電壓,需增加阻容吸收回路進(jìn)行抑制,文獻(xiàn)提出了兩種帶箝位二極管的拓?fù)?,可以很好地抑制寄生振蕩。本文采取文獻(xiàn)提出的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)了一臺(tái)280 W移相全橋軟開(kāi)關(guān)DC/DC變換器,該變換器輸入電壓為194~310 V,輸出電壓為76V。

1 主電路拓?fù)浼肮ぷ鬟^(guò)程分析

本設(shè)計(jì)所采用的主電路拓?fù)淙鐖D1所示。其中VQ1~VQ4為4個(gè)開(kāi)關(guān)管,VD1~VD4分別是4個(gè)開(kāi)關(guān)管的寄生二極管,C1~C4分別為4個(gè)開(kāi)關(guān)管的結(jié)電容和外接電容,VQ5和VQ6是2個(gè)箝位二極管,Lr是諧振電感,VDR1和VDR5為輸出整流二極管,CDR1和CDR2為輸出整流二極管的等效并聯(lián)電容。VQ1和VQ3組成超前橋臂,VQ2和VQ4組成滯后橋臂,每個(gè)橋臂的2個(gè)開(kāi)關(guān)管互補(bǔ)180°導(dǎo)通,2個(gè)橋臂的導(dǎo)通角相差1個(gè)相位。即移相角,通過(guò)調(diào)節(jié)該相位就可以調(diào)節(jié)輸出電壓。這種拓?fù)渫ㄟ^(guò)增加2個(gè)箝位二極管VQ5、VQ6來(lái)消除次級(jí)整流管反向恢復(fù)引起的電壓振蕩,減小了次級(jí)整流管的電壓應(yīng)力,并且箝位二極管VQ5、VQ6,在一個(gè)周期里分別只導(dǎo)通一次,減小了二極管VQ5,VQ6的電流損耗,提高了變換器的效率。圖2為變換器的工作波形,其中,iLr為L(zhǎng)r上的電流,ip為變壓器原邊電流,UAB為A、B兩點(diǎn)電壓差,iD5為VD5的電流,iD6為VD6的電流。

 

 

圖2中,在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期中,該變換器有16種開(kāi)關(guān)狀態(tài),這里只分析前8種狀態(tài)。在分析前,先作如下假設(shè):除輸出整流二極管外,所有開(kāi)關(guān)管、二極管、電感和電容均為理想器件:變壓器的漏感很小,可以忽略不計(jì);Lf>>Lr/K2(K是變壓器原副邊匝比):輸出整流二極管等效為一個(gè)理想二極管和一只電容的并聯(lián)。

1)狀態(tài)1[t0,t1]:在t0時(shí)刻以前,VQ1,VQ4和VDRl導(dǎo)通。在t0時(shí)刻,VQ1關(guān)斷,諧振電感上的電流iLr對(duì)C1充電,對(duì)C2放電,由于有C1和C2,VQ1為零電壓關(guān)斷,VD5和VD6不導(dǎo)通。

2)狀態(tài)2t1,t2]:t1時(shí)刻,C3的電壓降為O,VD3自然導(dǎo)通,此時(shí)可以零電壓開(kāi)VQ3。CDR2繼續(xù)放電,iLr和變壓器原邊電流ip繼續(xù)下降。

3)狀態(tài)3[t2,t3]:t2時(shí)刻,CDR2完全放電,VDR2導(dǎo)通,2個(gè)整流二極管都導(dǎo)通,副邊短接,iLr和ip相等,處于自然續(xù)流狀態(tài)。

4)狀態(tài)4[t3,t4]:t3時(shí)刻,關(guān)斷VQ4,ip給C2放電,給C4充電,iLr和ip相等,一起線(xiàn)性下降,由于有C2和C4,VQ4是零電壓關(guān)斷。

5)狀態(tài)5[t4,t6]:t4時(shí)刻,VD2導(dǎo)通,VD2能夠零電壓開(kāi)通。t5時(shí)刻,ip由正向過(guò)零,且向負(fù)方向增加,由于ip不足以提供負(fù)載電流,VDR1和VDR2仍然導(dǎo)通,Vin全部加在Lr上,iLr和ip同時(shí)線(xiàn)性負(fù)增長(zhǎng)。

6)狀態(tài)6[t6,t7]:t6時(shí)刻,VDR1關(guān)斷,VDR2流過(guò)全部負(fù)載電流。Lr與CDR1諧振,給CDR1充電,iLr和ip繼續(xù)線(xiàn)性負(fù)增長(zhǎng)。

7)狀態(tài)7[t7,t8]:t7時(shí)刻,Cdr1電壓上升到2Vm,VD6導(dǎo)通,將原邊電壓箝位在Vin,因此CDR1電壓被箝位在2Vin/K,到t8時(shí)刻,ip等于iLr,VD6關(guān)斷。

8)狀態(tài)8[t8,t9]:在此狀態(tài)中,原邊給負(fù)載提供能量,iLr和ip相等。

2 磁性元器件設(shè)計(jì)

2.1 變壓器設(shè)計(jì)

變壓器原副邊匝數(shù)比為

 

 

式中,Vin min為輸出電壓最小值,V。為輸出電壓,VD為輸出整流二極管壓降,Dmax為副邊最大占空比,這里取為0.8,因此,匝數(shù)比K取為2。

用鐵氧體磁芯EE55繞制該變壓器,原邊用7根線(xiàn)徑為0.33 mm的漆包線(xiàn)并繞28匝,副邊用11根線(xiàn)徑為O.33 mm的漆包線(xiàn)并繞14匝。

2.2 輸出濾波電感設(shè)計(jì)

輸出濾波電感應(yīng)能夠存儲(chǔ)足夠大的能量,能夠在次級(jí)整流管自然續(xù)流時(shí)為負(fù)載提供連續(xù)的電流。當(dāng)變換器輸入為310 V時(shí),續(xù)流時(shí)間最大,為:

 

 

式中,濾波電感上電流的脈動(dòng)量△iLf=20%Iomax,因此,Lf取為330 μs。

用鐵氧體磁芯PQ40繞制該電感,用18根線(xiàn)徑為0.33 mm的漆包線(xiàn)并繞3l匝,氣隙為0.7 mm。

2.3諧振電感設(shè)計(jì)

超前臂利用濾波電感和諧振電感的能量很容易實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān),而滯后臂只能利用諧振電感的能量來(lái)實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān),相對(duì)超前臂來(lái)說(shuō),滯后臂只能在較窄的負(fù)載范嗣內(nèi)實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)。為了實(shí)現(xiàn)滯后臂的軟開(kāi)關(guān),必須滿(mǎn)足:

 

 

式中,Coss為開(kāi)關(guān)管的寄生和外接電容,為300 pF,I為滯后臂關(guān)斷時(shí)原邊電流的大小,而變換器在1/3滿(mǎn)載時(shí),

 

 

由式(4)式(5)可以得到諧振電感

 

 

因此,Lr取為120μH。用鐵氧體磁芯PQ40繞制該電感,用7根線(xiàn)徑為0.33 mm的漆包線(xiàn)并繞32匝,氣隙為2 mm。[!--empirenews.page--]

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文設(shè)計(jì)的變換器的主要參數(shù)如下:Vin=194-310 V,Vo=76V,Pomax=280 W,K=2,f=80 kHz,Lr=120μH,Lr=330μH,Co=3000μF,開(kāi)關(guān)管采用12N60,Coss=300 pF。

圖3為超前臂的ZVS波形,圖4為滯后臂的ZVS波形。輸入電壓為250 V,VCS為驅(qū)動(dòng)電壓,VDS為漏源電壓,由圖3和圖4可以看出變換器的超前臂和滯后臂都可以實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)通。

圖5為輸出整流二極管VDR1電壓波形,VDR1為VDR1兩端的端電壓,由圖5可知,VDR1關(guān)斷后,經(jīng)過(guò)很小一段時(shí)間,箝位二極管VD6開(kāi)通,將VDR1箝位,沒(méi)有出現(xiàn)電壓振蕩,當(dāng)VD6截止后,出現(xiàn)了很小的電壓振蕩,電壓尖峰值不大于箝位電壓,因此次級(jí)整流管的的電壓應(yīng)力可以大大減小。

 

 

4 結(jié)論

本文分析了一種移相全橋軟開(kāi)關(guān)變換器的拓?fù)洌诜治龅幕A(chǔ)上設(shè)計(jì)了一臺(tái)280 W的軟開(kāi)關(guān)DC/DC變換器,該變換器在變壓器原邊采用2個(gè)箝位二極管。實(shí)驗(yàn)證明,該方案在實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管零電壓開(kāi)關(guān)的同時(shí),能夠有效地抑制輸出整流二極管反向恢復(fù)所帶來(lái)的電壓振蕩,減小了次級(jí)整流二極管的電壓應(yīng)力。

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