大功率電鍍電源軟開關(guān)技術(shù)的研究

摘 要：本文詳細(xì)討論了大功率電鍍電源中PWM DC—DC移相全橋變換器的軟開關(guān)技術(shù)，包括ZVS與ZVZCS兩種方式，討論了ZVS拓?fù)渲袦蟊蹖崿F(xiàn)ZVS、減少副邊占空比丟失以及抑制整流橋寄生振蕩的各種有效措施，并就ZVZCS拓?fù)渲袦蟊蹖崿F(xiàn)ZCS的方法從原邊和副邊兩個方面作了介紹。
關(guān)鍵詞：電鍍電源；ZVS；ZVZCS；移相全橋變換器

0 引言
    目前電鍍電源應(yīng)用越來越廣，人們對其品質(zhì)要求也越來越高。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步，電鍍電源逐漸向高頻高效化、大功率化發(fā)展，使得電鍍電源具有更高的功率密度、快速的響應(yīng)能力以及更小的體積。但常規(guī)PWM變換技術(shù)是一種硬開關(guān)模式，開關(guān)損耗大、器件溫度過高等嚴(yán)重制約了開關(guān)電源工作頻率的提高，已經(jīng)無法滿足要求。軟開關(guān)技術(shù)具有降低電力電子器件開關(guān)功耗、提高開關(guān)頻率、降低電磁干擾、改善器件的工作環(huán)境等優(yōu)點，是近10年來國際電力電子領(lǐng)域研究的熱點。因而，采用軟開關(guān)技術(shù)研究大功率高頻軟開關(guān)電鍍電源是電鍍工藝發(fā)展的必然。

1 大功率電鍍電源軟開關(guān)技術(shù)的分類
    大功率高頻電鍍電源實際上是一種低壓大電流的整流裝置。通常采用PWM DC—DC移相全橋變換器拓?fù)洹?br />    由于PWM DC—DC移相全橋變換器的超前橋臂只能實現(xiàn)ZVS，而滯后橋臂可以實現(xiàn)ZVS和ZCS，可以將PWM DC—DC移相全橋變換器的軟開關(guān)方式分為兩類：
    (1)ZVS方式：零狀態(tài)工作在恒流模式，超前橋臂和滯后橋臂均實現(xiàn)ZVS，適合于電力MOSFET；
    (2)ZVZCS方式：零狀態(tài)工作在電流復(fù)位模式，超前橋臂實現(xiàn)ZVS，滯后橋臂實現(xiàn)ZCS，適合于IGBT。

2 ZVSPWM DC-DC移相全橋變換器
    基本ZVS PWM DC—DC移相全橋變換器，用變壓器的漏感或原邊串聯(lián)電感和功率管的寄生電容或外接電容來實現(xiàn)零電壓開關(guān)。它的電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。它是一種具有優(yōu)良性能的移相全橋變換器，兩個橋臂的開關(guān)管均在零電壓軟開關(guān)條件下運行，開關(guān)損耗小，而且具有結(jié)構(gòu)簡單、電源小型化、高頻化的發(fā)展趨勢。但是移相全橋ZVS變換器存在滯后橋臂ZVS實現(xiàn)比較困難、副邊占空比損失和整流橋寄生振蕩等問題。針對上述問題，國內(nèi)外文獻(xiàn)提出了各種各樣的拓?fù)潆娐贰?/p>

    1)實現(xiàn)滯后橋臂ZVS、減少副邊占空比丟失
    ZVS PWM DC—DC移相全橋變換器的滯后橋臂實現(xiàn)ZVS比較困難，特別是滯后橋臂開關(guān)管在輕載下難以實現(xiàn)ZVS，使得它不適合應(yīng)用于負(fù)載大范圍變化的場合。為了讓滯后臂實現(xiàn)ZVS更加容易，需要增大原邊電流。原邊電流的增大可以靠增加勵磁電流(主變壓器加氣隙，減小勵磁電感)，或增大漏感(或外加的諧振電感)來實現(xiàn)。但上述方法均會增加占空比的丟失?？梢园l(fā)現(xiàn)占空比丟失與ZVS軟開關(guān)條件存在矛盾，所以諧振電感Lr的大小需要折衷選擇。
    為了實現(xiàn)零電壓開關(guān)的同時又能減小副邊占空比丟失，可采取下列辦法：
    (1)將移相ZVS變換器中的線性諧振電感改用飽和電感。如圖2(a)所示。飽和電感的特性是：當(dāng)脫離飽和時，表現(xiàn)為一個很大的電感；當(dāng)其進(jìn)入飽和狀態(tài)時，又表現(xiàn)為一個很小的電感。但該電路不足之處就是飽和電感以很高的頻率在正負(fù)飽和值之間切換，磁芯損耗會很大，溫度也會很高。[!--empirenews.page--]
    (2)在滯后臂增加輔助電路改善滯后臂開關(guān)管的軟開關(guān)環(huán)境，其基本方法是給滯后臂并聯(lián)一輔助諧振電路，利用輔助諧振電路中的電感幫助漏感實現(xiàn)滯后臂開關(guān)管的零電壓開關(guān)，使其在任意負(fù)載和輸入電壓范圍內(nèi)實現(xiàn)零電壓開關(guān)，并且大大減小占空比丟失。圖2(b)增加了一個LC電路，漏電感和輔助電路的電感電流同時給并聯(lián)電容充放電，從而在較寬的負(fù)載范圍內(nèi)實現(xiàn)滯后橋臂的ZVS。

    2)抑制整流橋寄生振蕩
    關(guān)于抑制整流橋寄生振蕩的緩沖電路，國內(nèi)外文獻(xiàn)提出了各種電路拓?fù)?，下面介紹常用的RC緩沖電路和主動鉗位緩沖電路。
    (1)RC緩沖電路。在圖3(a)中，增加一個由Rs和Cs組成的串聯(lián)支路分別并聯(lián)在四個整流管的兩端。利用二極管上的并聯(lián)RC支路起鉗位作用，并且電容Cs的電荷都釋放在電阻Rs上。因此，這種吸收網(wǎng)絡(luò)是有損耗的，相當(dāng)于把整流二極管的關(guān)斷損耗轉(zhuǎn)移到了RC緩沖電路上，因而不利于提高變換器的效率。

    (2)主動鉗位緩沖電路。圖3(b)是一種主動鉗位電路，它由鉗位開關(guān)管VTs、鉗位二極管VDs和較大容量的鉗位電容Cs組成。這種緩沖電路也可以將整流橋上的電壓鉗位在一個適當(dāng)?shù)碾妷褐?。由于該緩沖電路中沒有電阻，而且VTs要求是零電壓開關(guān)，因而沒有損耗。但它增加了一個開關(guān)管，因而也增加了一套控制電路和驅(qū)動電路，也就增加了電路的復(fù)雜性。

3 ZVZCS PWM DC-DC移相全橋變換器
    利用飽和電抗器Ls和隔直電容Cb所實現(xiàn)的零電壓、零電流全橋移相PWM軟開關(guān)變換電路是ZVZCSPWM電路中應(yīng)用最廣泛的一種。如圖4所示，C1和C2分別為功率開關(guān)管VTW1和VTW2的并聯(lián)電容，Lk為變壓器的漏電感。它簡單、高效、容易實現(xiàn)，而且在很寬的負(fù)載變化范圍內(nèi)都能實現(xiàn)軟開關(guān)，特別適用于以IGBT作為功率器件的中低電壓大電流輸出的場合。

    ZVZCS移移相全橋變換器滯后臂軟開關(guān)的實現(xiàn)關(guān)鍵在于使原邊電流復(fù)位。實現(xiàn)電流復(fù)位的方法有很多種，可以考慮在變壓器原邊或副邊加輔助電路來實現(xiàn)。
    全橋ZVZCS移相變換器按照輔助電路位置分為兩類。第一類變換器的輔助電路位于主變壓器一次側(cè)，通過引入一個阻斷電壓源，在續(xù)流期間將原邊電流復(fù)位至零。第二類變換器的輔助電路位于二次側(cè)，通過引入反向阻斷電壓源并反射到原邊，實現(xiàn)續(xù)流期間對原邊電流的復(fù)位。[!--empirenews.page--]
    1)原邊輔助電路型ZVZCS典型拓?fù)湓呡o助電路型ZVZCS典型拓?fù)浯笾掠幸韵聨追N：
    (1)在原邊串聯(lián)阻斷電容和飽和電感。如圖4所示。在原邊電壓過零期間，將隔直電容上的電壓作為反向阻斷電壓源，使原邊電流迅速復(fù)位，為滯后臂開關(guān)管創(chuàng)造零電流開關(guān)條件，并利用飽和電感在退飽和區(qū)域阻抗極大的特性切斷阻斷電容反向電流。此種方法應(yīng)用最廣泛，但也存在一些不足，飽和電感的設(shè)計和磁性元件的選擇比較困難，飽和電感工作在飽和到不飽和的交替中，磁芯發(fā)熱嚴(yán)重。而且若飽和電感按照最大輸入電壓設(shè)計，在低壓輸入時，副邊占空比丟失較為嚴(yán)重。
    (2)在滯后臂開關(guān)管支路上串聯(lián)二極管，以二極管反向阻斷特性來阻止電流反向流動。與圖4所示原邊串聯(lián)飽和電感的電路相比，圖5所示的電路最顯著的優(yōu)點就是沒有飽和電感，因而降低功耗，同時占空比丟失減小，也有助于展開占空比。但是這種電路也引入了新的問題，如串聯(lián)在滯后臂的二極管在大功率變換器中要流過較大電流，其開關(guān)雖是ZCS，導(dǎo)通損耗卻不可忽略。
    (3)原邊串聯(lián)雙向有源開關(guān)。在原邊串聯(lián)雙向有源開關(guān)來阻止反電動勢形成的反向電流。該電路目前很難得到實際應(yīng)用。另外，由于有源器件的存在，增加了控制復(fù)雜性。
    2)副邊輔助電路型ZVZCS典型拓?fù)涓边呡o助電路型ZVZCS典型拓?fù)浯笾掠幸韵聨追N：
    (1)副邊加簡單輔助網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)滯后臂ZCS的拓?fù)?，如圖6所示。該電路利用兩只二極管和一只電容構(gòu)成的簡單輔助電路實現(xiàn)了滯后臂零電流開關(guān)，利用副邊吸收電容Cs上的電壓作為反電動勢作用在原邊，使得原邊環(huán)流衰減至0，整流二極管關(guān)斷，副邊吸收電容不再反射到原邊，而是對負(fù)載供電。因而環(huán)流不會反向增加。此電路簡單，解決了電流復(fù)位和副邊整流二極管電壓尖峰吸收的問題，且不消耗很大的能量，效率高，占空比損失小，因此該電路具有很高的實用價值。但該電路增加了功率開關(guān)管的電流應(yīng)力，超前臂實現(xiàn)軟開關(guān)變得困難(或出現(xiàn)超前臂硬開通現(xiàn)象)，Cs值選取困難。

    (2)利用附加繞組實現(xiàn)滯后臂ZCS的拓?fù)?，提出了一種利用附加繞組的拓?fù)湫滤悸罚鐖D7所示。該電路在能量傳輸階段由附加繞組給鉗位電容充電，鉗位電容在原邊電壓下降至低于其上電壓時鉗住了原邊電壓，使環(huán)流衰減。環(huán)流衰減至0后，副邊繞組的整流二極管關(guān)斷，環(huán)流不會反向增加。該電路元件較少，但是也存在一些問題。如副邊吸收電容不能同時用于副邊整流二極管電壓尖峰的吸收。而且附加繞組增加了變壓器的復(fù)雜性，直接限制了該拓?fù)湓诖蠊β蕡龊系膽?yīng)用。
    (3)副邊有源鉗位實現(xiàn)滯后臂ZCS的拓?fù)?，如圖8所示。在能量傳輸時有源開關(guān)管VTs導(dǎo)通，電容Cs充電，同時對二極管電壓尖峰有鉗位作用。超前臂開關(guān)管關(guān)斷后，原邊電壓下降至低于電容電壓，副邊有源開關(guān)管的反并二極管VDs導(dǎo)通，原邊電壓被電容鉗位。此后工作過程與副邊簡單輔助網(wǎng)絡(luò)電路相同。
    由于使用了有源器件，與圖6所示的采用二極管的電路相比，損耗進(jìn)一步降低。特別是在低壓大功率場合，有源鉗位的優(yōu)勢尤為突出。但是應(yīng)當(dāng)注意到，損耗的降低是以控制復(fù)雜性增加為代價的。

4 結(jié)束語
    為了進(jìn)一步提高大功率電鍍電源工作頻率、效率、減小其體積，本文對比分析了大功率電鍍電源ZVS和ZVZCS PWM DC—DC移相全橋變換器以及各種改進(jìn)電路的工作原理，探討了它們之間的差異和各自適用的場合。
    通過分析可知ZVS移相全橋電路存在輕負(fù)載時滯后臂實現(xiàn)ZVS較困難、占空比丟失與軟開關(guān)條件矛盾、整流管寄生振蕩等缺陷，并針對各缺陷提出了相應(yīng)的拓?fù)潆娐贰?br />    ZVZCS移相全橋電路可在寬負(fù)載范圍內(nèi)實現(xiàn)軟開關(guān)，但由于其電流復(fù)位需要時間，不易實現(xiàn)高頻，且需要改善滯后臂ZCS條件，本文從變壓器原邊或副邊加輔助電路兩個方面來實現(xiàn)滯后臂ZCS。