一種新型電流型移相全橋軟開關(guān)變換器

0 引言
    開關(guān)電源的發(fā)展趨勢(shì)是高頻、高功率密度、高效率、模塊化以及低的電磁干擾(EMI)等，但傳統(tǒng)的硬開關(guān)變換器不僅存在嚴(yán)重的電磁干擾(EMI)，而且功率管的開關(guān)損耗限制了開關(guān)頻率的提高，軟開關(guān)應(yīng)運(yùn)而生。目前實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)主要有兩種方法：一為零電壓(ZVS)開關(guān)，另一種為零電流(ZCS)開關(guān)。
    全橋DC／DC變換器廣泛應(yīng)用于中大功率的場(chǎng)合。根據(jù)其輸入端為電容或者是電感，全橋變換器可分為電流型和電壓型兩種。過去的數(shù)十年問，電壓型全橋變換器的軟開關(guān)技術(shù)得到深入研究。而電流型卻沒有得到足夠的重視。事實(shí)上，電流型變換器具有很多的優(yōu)點(diǎn)。最顯著的優(yōu)點(diǎn)之一是在多路輸出的應(yīng)用場(chǎng)合中，它相當(dāng)于將濾波電感放置于變壓器的原邊，因而整個(gè)電路僅需要這一個(gè)電感。
    本文提出了一個(gè)采用移相控制的新型電流型全橋變換器，引入輔助電路來(lái)幫助兩個(gè)上管實(shí)現(xiàn)零電壓工作，利用變換器的寄生參數(shù)(變壓器的漏感)來(lái)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)下管零電流工作。分析了它的工作原理以及實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)的條件，并最終在Pspice仿真中驗(yàn)證了理論的正確性。

l 工作原理
    圖l所示為本人所提出的電流型移相控制PWM DC／DC全橋變換器。Lin為輸入電感，Llk為變壓器的漏感，CS1、CS2是和兩個(gè)上管VT1、VT2并聯(lián)的電容，VTa1、VTa2是輔助開關(guān)，Lrl、Lr2是諧振電感。

    該變換器一個(gè)周期內(nèi)共有十個(gè)開關(guān)模態(tài)，為了便于分析，我們作如下假設(shè)：
    a．所有電感、電容、開關(guān)管和變壓器均為理想器件。
    b．輸入電感Lin足夠大，在一個(gè)開關(guān)周期中，輸入電流Iin基本上可視為不變。
    c．輸出電容Co足夠大，在一個(gè)開關(guān)周期中，輸出電壓Uo基本上可視為不變；
    d．輸入電感Lin遠(yuǎn)大于諧振電感Llk.

    e. 特征阻抗諧振角頻率為變壓器的變化。
    各主要變量波形如圖2所示，各開關(guān)模態(tài)的等效電路如圖3所示。

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 1)開關(guān)模態(tài)l[t0～t1]
    t0時(shí)刻以前，原邊電流通過主開關(guān)管VT2和VT4，負(fù)載由輸出電容供電，如圖3(a)所示。t1時(shí)刻，輔助開關(guān)管VTa1打開，CS2和Lr1開始諧振，如圖3(b)所示，諧振電容電壓的表達(dá)式為(初始電壓為UCSl)：

    經(jīng)過半個(gè)諧振周期，電感電流為0，諧振電容電壓變?yōu)橐籙CS1，故該模態(tài)持續(xù)時(shí)間：

   
    此時(shí)，VTa1可以零電流關(guān)斷。
    2)開關(guān)模態(tài)2[t1～t2]
    t1時(shí)刻，由于并聯(lián)電容的存在，VT2可以零電壓關(guān)斷。如圖3(c)所示，輸入電流通過CS1，漏感Llk，變壓器的原邊以及VT4,CS1電壓的表達(dá)式為：

   
    副邊電流通過VD1和VD4。t2時(shí)刻，電容兩端電壓降至為0，該模態(tài)持續(xù)時(shí)間：

   
    3)開關(guān)模態(tài)3[t2～t3]
    t2時(shí)刻，VT1零電壓開通，如圖3(d)所示，這期間該變換器像傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)一樣向負(fù)載供電。
    4)開關(guān)模態(tài)4[t3～t4]
    t3時(shí)刻，開通VT3，如圖3(e)所示。VT3的電流開始線性增加，VT4的電流線性減小。表達(dá)式為：

   
    t4時(shí)刻，VT3的電流上升至輸入電流，VT4的電流減小到0，該模態(tài)的持續(xù)時(shí)間：

   
    可見，VT3是零電流開通，VT4是零電流關(guān)斷的。
    5)開關(guān)模態(tài)5[t4～t5]
    輸入電流通過VT1和VT3，負(fù)載由輸出電容供電，如圖3(f)所示。變換器開始另一半周期的工作。

2 實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)的條件
    由以上工作原理的分析，我們可知，變換器順利實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)必須滿足以下條件：
    (1)VT1和VT2必須有死區(qū)時(shí)間，且該死區(qū)時(shí)間不能太大，否則其并聯(lián)電容將被正向充電，以至零電壓丟失。以前文分析的半個(gè)周期為例，VT2關(guān)閉后的死區(qū)時(shí)間不能太大以至于VT1的并聯(lián)電容重新被正向充電，那么由式(5)可得，死區(qū)時(shí)間應(yīng)該滿足

   
    (2)VT3和VT4的重疊時(shí)間要足夠大，以保證兩個(gè)下管的電流可以順利轉(zhuǎn)換。以前文分析的半個(gè)周期為例，重疊時(shí)間內(nèi)應(yīng)該要保證VT4的電流順利降為0，VT3順利的上升至輸入電流Iin。則由(8)式可得，重疊時(shí)間應(yīng)該滿足

   

3 仿真結(jié)果及分析
    為了驗(yàn)證文本提出的變換器的原理，在Pspice里設(shè)計(jì)了一個(gè)50kHZ的模型進(jìn)行驗(yàn)證。輸入電流為Iin=10A，輸出電壓Uo=325V。一個(gè)周期內(nèi)各仿真波形如圖4所示。(a)圖所示為主開關(guān)管VT1的電壓電流波形，從圖上我們可以看出VT1可以零電壓開通和關(guān)斷。由于IGBT有拖尾電流效應(yīng)，因而實(shí)際中兩個(gè)上管可以用MOS管來(lái)代替IGBT；(b)圖所示為主開關(guān)管VT3的電壓電流波形，可見VT3順利的實(shí)現(xiàn)零電流開通和關(guān)斷；(c)圖為輔助開關(guān)VTa1的電壓電流波形，由于輔助電路引入諧振來(lái)幫助主開關(guān)管實(shí)現(xiàn)零電壓，因而它是可以零電流工作的，不會(huì)給變換器增加額外的損耗。

4 結(jié)束語(yǔ)
    本文提出了一種新型的移相控制電流型全橋PWM DC／DC變換器結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)利用輔助網(wǎng)絡(luò)來(lái)幫助兩個(gè)上管實(shí)現(xiàn)零電壓工作，利用變壓器的漏感來(lái)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)下管零電流工作。最后的仿真也證明了理論的正確性。由于結(jié)構(gòu)上的特性，該變換器在多路輸出的應(yīng)用中有更獨(dú)特的效果。