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重庆大学学报 Jan.2004 第27卷第1期 电子信箱:stargon_zhang@126.com
Journal of Chongqing University V01.27 No.1 文章编号:1 000—582X(2004)01-0053—05 带饱和电感的移相全桥PWM变换器软开关分析 杜 军 ,周雒维 ,陆治国 (1.重庆交通学院机电学院,重庆400067;2.重庆大学电气工程学院,重庆400030) 摘要:带饱和电感的移相全桥零电压开关PWM变换器与传统的移相全桥零电压开关PWM变换 器相比,具有较宽的零电压开关负载范围,较小的循环能量和较小的占空比损失。在详细分析其工作原 理的基础上,着重对参数设计和滞后桥臂的死区时间设置进行了讨论,给出了设计方法,仿真结果证实 了理论分析的正确性。 关键词:零电压开关;谐振参数;死区时间;仿真;饱和电感;变换器 中图分类号:TM13 文献标识码:A 传统的移相控制全桥零电压开关PWM直流一直 区时间设置,有必要对带饱和电感的移相控制全桥零 流变换器结合了零电压开关准谐振技术和传统PWM 电压开关变换器的暂态工作过程进行详细分析,变换 技术两者的优点,工作频率固定,在高频大容量直流变 器的电路原理如图1所示。 换领域很有竞争力。但它的零电压开关实现是利用谐 振电感的能量对功率开关的输出电容进行放电,实现 零电压开关的负载范围很大程度上依赖谐振电感值。 在对轻载效率敏感的应用情况下,必须采用很大的谐 振电感以实现轻载时功率开关的零电压开关。但谐振 电感值越大,变换器运行时的循环能量越大,这就加大 了接触损耗和开关的电流、电压应力。另外,谐振电感 与二极管结电容作用产生严重的寄生振荡,增大了开 关损耗和开关噪声。文献[1]提出了用饱和电感代替 线性电感作谐振电感,电路其它部分保持不变,控制方 式还是移相控制,这样该带饱和电感的变换器具有更 图1 带饱和电感的移相全桥零电压开关PWM变换器的电路原理 宽的零电压开关负载范围,更小的循环能量和更小的 图中,D。~D4分别是Q。~Q。的内部寄生二极 占空比损失,特别适用对轻载效率敏感的应用场合,其 管,C。~C。分别是Q。~Q。的寄生电容或外接电容。 原理电路如图1所示。文献[1]只是通过与传统型的 为饱和电流值为 的可饱和电感。每个桥臂的2个功 对比,说明了该变换器的优点。为了深人研究,笔者对 率管互补导通,2个桥臂的导通角相差一个相位,即移 带饱和电感的移相全桥零电压开关PWM变换器的零 相角,通过调节移相角的大小来调节输出电压。Q 、Q。 电压开关实现参数设计及各桥臂死区时间设置进行了 分别超前于Q,、Q。一个相位,称Q 、Q。组成的桥臂为 详细分析。 超前桥臂,Q,、Q。组成的桥臂为滞后桥臂。 1带饱和电感的移相全桥零电压开关PwM 变换器的工作波形如图2所示,在每半个周期中 直流一直流变换器的工作原理 有7种工作模式,为便于分析作如下假设:当变压器一 为了完成对零电压开关实现参数的最佳设计及死 次侧电流 小于,c,饱和电感£,未饱和时,其电感量 收稿日期:2003—09—15 作者简介:杜军(1968一),女,重庆人,重庆交通学院讲师,硕士。从事电力电子与电力传动方向的研究。 维普资讯 http://www.cqvip.com 重庆大学学报 2004盎 m 啦∞=萋k 吣 L,o,所储存的能量为 ,。 ;当电流 大于,c,£,进 入饱和状态,电感量为零,所储存的能量为 ,。 。输 出滤波电感£,足够大,可视为恒流源,0输出,且 。 ,l > ,c;高频变压器初次级匝比为n;忽略高频变压器漏感 和电容。所有器件均为理想器件。 II l l f 蝤 I广= ‰ J 广 图4 模式2(t1一t2) ; 。 /l I—、 广/ 和变压器阻抗的作用下从J/凡迅速减小到,c,饱和电 感£,退出饱和状态。电感量 较大,又有 。 =0,从而 / \ \ / \ 把初级电流钳位在 ,次级二极管的电流变为i口刖= :\ ●l \ 厂———————\ 1 1 寺(,。+,l,c), 。 =÷(Io一,l )。此时次级的2个二极 管同时导通,变压器初级电压 和次级电压均被钳位 图2 带饱和电感的移相全桥零电压 至零。初级进入环流阶段,与传统电路相比环流能量大 开关PWM变换器的典型波形 为减少。 1)模式1(to~t ):Q 和Q.导通,D 流过负载电 流,0。由于(1o/n)>Ic时,£,饱和,输入功率经过高频 变压器向负载传送,i :lo/n。 图5模式3(t2一t3)和模式4(t3一t4) 4)模式4(t。~t.):£。时刻Q 开通,由于D 导通 续流,Q 两端电压被钳位至零,故Q 为零电压开通,开 图3 模式1(to—t1) 通损耗为零。Q 开通后并没有电流流过,初级电流仍 2)模式2(t。~t ):£。时刻Q.关断,电容C.使Q。 由D 导通续流。 零电压关断。由于死区时间‘撇(即从Q.关断到Q 导 5)模式5(t.~t ):1.时刻Q 关断,电容C,的作 通的时间)的存在,Q 还未开通。此时,初级等效电感 用使Q 的关断损耗同样显著减小。由于死区时间 为凡 ,电感量相当大,饱和电感仍处于饱和状态,初 t扪(即从Q 关断到Q。导通的时间)的存在,Q。还未开 级电流仍近似为Io/n。该电流给C.充电,C 放电,C。、 通,电容C 、C。与 谐振。此时 , c 两端电压为 c2(£)= 一 , (£) c3(£)=一 z,sin(to,£)+E a(£)= Z,sin(to,£) i (£)=lcCOS( ,£) //,ab=一 Z,sin(to,£) lo 1 1 ,l(c2+c4) 寺(,。+ni ) iD砬:寺(,。一ni ) 3)模式3(t2~t3):£2时刻 c2(t)下降为零,D2导 1/[L (c +c3)] /2 z,= ==7 通续流。由于 ,处于饱和状态,初级电流在器件压降 当 z,<E时,Ⅱd(£)≠0,不能实现Q,的零电压 维普资讯 http://www.cqvip.com 第27卷第1期 杜军等:带饱和电感的移相全桥PWM变换器软开关分析 55 6)模式6b(t5一t6):t5时刻11,c3(t)下降为零时, D。导通续流,i =O,此时,必须同时开通Q。,否则,i 过零后,C。会被充电,Q。不能实现零电压开通。当i 0时,Q。、Q:导通,仍然有11, =一E,i 反相增加,t, 时刻反相增加到一 ,L,进人饱和状态,电感量变为 零,初级电流突然下降到一Io/n,D .截止,D .导通,输 人功率又经过变压器向负载传送,开始下半个周期。 Ql I— q —j j lc 个 Ia b i E I jl 图6 模式5(t4~t5) 开通;当 z,>E时,11,c3(t)在小于1/4谐振周期时为 [ 零,实现Q。的零电压开通;当,cz,=E时, (t)在1/4 谐振周期时为零,实现Q。的零电压开通。 下面分上述两种情况分析开关模式的变化: 首先, z,>E时,11, (t)在小于1/4谐振周期时 为零。 6)模式6a(t5一t6):f5时刻11,c3(t)下降为零时, 图8模式7a(t6~t7)和模式6b(t5~t ) 导通续流,i pri>Oo此时,di研/dt=一(E/L ),i 线 2 带饱和电感的移相全桥零电压开关PWM 性减小,次级二极管D .的电流也随之线性减小,D , 变换器谐振参数选择 的电流随之线性增加,i。R。=÷(,0+ni ),i。 = 在谐振电容C ,PWM频率 已定的情况下,确定饱 和电感值 ,饱和电感的电流值,c,超前桥臂死区时 丢(,0一n ) 间t出:,滞后桥臂死区时间tm。 2.1 饱和电感值 , ,。由实现ZVS的最小负载电流,0 确定,,c=_aomin It, (1) 由滞后桥臂谐振暂态分析,实现ZVS的最长谐振 时间为谐振周期的1/4,在最长谐振时间内谐振电感 的能量必须大于谐振电容充放电的能量。即 4f一 (2) 1/2 L >1/2 (cl+c3) ) (3) 1 F D 式中 f一=l---arcsin L'm ax (4) 』eL r 图7 模式6a(t5~t6l 表示最长谐振时间, 幡表示滞后桥臂谐振周期。 7)模式7a(t 一t ):f 时刻Q。导通,此时由于D。 由公式(2)~(4)可得 的最小值 导通续流,Q。是零电压开通(必须在i >0时开通 2.2 超前桥臂死区时间t越 Q。)。当iDri:0时,D:、D。截止,Q。、Q:导通,仍然有 该桥臂关断的器件在其等效并联电容被充电到电 E,i 反相增加,t 时刻反相增加到一,c,L,进入饱 源电压以前,C:、C 与滤波电感Lf谐振(此时,饱和电 和状态,电感量变为零,初级电流突然下降到一Io/n, 感处于饱和状态,电感值为零,不参与谐振),由Lf的 D 截止,D ,导通,输入功率又经过变压器向负载传 储能提供C 、C 充放电所需能量。由于输出负载电流 送,开始下半个周期。 参与谐振,且n 较大,这相当于变压器初级电流对 其次,,cz,=E时, c3(t)在等于1/4谐振周期时 C:、C 进行恒流充放电,因此,这一阶段时间很短,Q 、 为零。. Q 很容易实现ZVS。完成谐振时间为: 维普资讯 http://www.cqvip.com 56 重庆大学学报 2004年 loE·(C2+C4) ‘d42一 , 3 仿真验证 为了证实以上的分析,对谐振参数、死区时间设置 (5) 所以,超前桥臂死区时间: ≥ 进行仿真研究,利用Saber软件仿真。 仿真参数:设变换器输入电压变化范围为179~ 358 V(按2204r2v土i.2105%计算),输出电流40 A,输出电 2.3 滞后桥臂死区时问t 。 滞后桥臂通断转换死区时间t 。如图9所示。从上 述对变换器暂态分析知道,t.时刻滞后桥臂Q 进行通 断转换, (t.)=Ic。 pfi通过C 、C。和 发生谐振, 变压器次级被短路。当Ha谐振到等于电源电压的同 时,ua=0,D。钳位导通,谐振结束。此时,如果E< ,cz,,则 州>0,如果不立刻开通Q3,则 pfi经D2一E— D,续流,£pfi以ElL,0速率迅速下降,到某一时刻, 一下 压(V )5 。饱和电感值以实现ZVS的最小负载电流 lomin(4o×65%=26 A)确定,其值为lc=26/16=1. 625 A(取变压器原副边绕组匝比为,l=16),由公式 (2)~(4)计算出饱和电感值为57 uH,由公式(6)一 (9)计算出滞后桥臂死区时间范围:O.196 US≤tm≤ 0.339 2 US,由公式(5)计算出超前桥臂死区时间£撇 ≥0.14 US。即在上述范围内选择滞后桥臂和超前桥臂 降为零。为使Q。实现ZVS,应当在谐振结束到i 下降 为零时间内开通Q。。如果在 。 过零后开通Q。,此时, C。已被充电,使Q。不能实现ZVS。如果E=,cz,,谐振 结束时, 。 =0,谐振时间刚好为1/4谐振周期,必须 在谐振结束同时开通Q。才能保证实现ZVS。很显然, 死区时间,能够在要求的输入电压和输出电流变化范 围内使变换器的开关器件均工作在ZVS状态。输入电 压取最大值E ;358 V,功率开关频率100 kHz,滤波 电感Lf0.8 mH,滤波电容C,3 000 uF,超前桥臂死区 时间设为£ =0.14 s,图lO给出在不同的滞后桥臂 死区时间值时,滞后桥臂的零电压开关情况,图1 l给 出实现零电压开关时高频变压器一二次侧电压、电流 波形。 电源电压、谐振电路参数、饱和电感电流值均对滞后桥 臂死区时间有影响。希望在要求的电源电压和负载电 流变化范围内,死区时间能够保证Q 、Q,的ZVS。满足 要求的死区时间范围由式(6)~(9)确定。 i巨薹 三三三主主 z,sin(m/) s。Ⅲ震 E三至三三三至 ————————————÷_——————————————————————————————— m:№ 罨L三三 毒[三三 iii置证三三 董 _| ■ 三三I L———————————÷——————————————————÷-————————— ml_ 图9 滞后桥臂通断转换死区时间 衙后轿臂夕匕区时1日J td13 t5口一t4<t 3<min(t 5^一t4,t 5口一t4) (6) = rcsin (7) (8) (9) (c)E=358 V tm3=0.18 us ttttse sa一 =-a1 rcsin蔑+ ∞r 笼+』c r = sin图lO 滞后桥臂死区时间值不同时功率开关的开关情况 维普资讯 http://www.cqvip.com 第27卷第1期 杜军等:带饱和电感的移相全桥PWM变换器软开关分析 57 图l0的仿真结果表明,当tⅢ=0.25 US时,滞后 后桥臂谐振所需的能量条件和时间条件确定。 桥臂开关管实现了ZVS。当tdl3=0.35 US时,超过了计 2)死区时间对变换器的ZVS状态有影响,死区时 算出的死区时间范围,滞后桥臂开关管的漏源电压出 间的选择应当根据设计要求,由式(6)~(9)确定滞后 现畸变,也没有实现ZVS。这是由于在滞后桥臂开关管 桥臂死区时间值,以实现变换器功率开关的ZVS。 开通前,C。,C,分别被再次充电引起的。当tm=0.18 US, 小于死区时间范围,没有实现开关管的ZVS,这是由于 参考文献: 开关管开通时,谐振未完成,其漏源电压未下降到零。 [I]GUICHAO HUA,FRED C—I.EE,MILAN M.An Improved Fall 图1 1的仿真波形符合图2的理论分析波形。 Bridge Zero——Voltage——Switched PWM Converter Using a Saturable Inductor[J].IEEE Trans.on P.E.,1993,8(4):530 534. [2]SABATE J A,VLATKOVIC V,RIDLEY R B,et a1.Design oCnsideration for Hish—Voltage Hish—Power Full—Bridge Zero—Voltage—Switclled PWM converter[J].IEEE APEC, 1990:275—284. [3] I BARBI,D C MARTINS,R PRADO.Effects of Nonlinear 图l】 变换器的一次侧电压、电流和二次侧电压波形 Resonant Inductor on the Bellaver of ZVS Quasi—resonant oCnverters[J].in Conf.Rec.,IEEE Power Electron.Spe— 4结论 cia1.,1990,522—527. [4] SATOSHI HAMADA.Analysis and Design of a Saturable Re- 文中对带饱和电感的移相控制零电压开关全桥变 actor Assisted Soft——Switching Full——Bridge DC/DC Con- 换器的暂态工作过程作了详细分析,着重对零电压开 verter[J].IEEE Trans.P.E.,1994,9(3):309—317. 关实现参数设计和滞后桥臂的死区时间设置进行了讨 [5] 阮新波,严仰光.脉宽调制DC/DC全桥变换器的软开关 论,给出了设计方法,并进行了仿真验证,得出结论: 技术[M].北京:科学出版社,1999. 理论分析和仿真证明: [6]蔡宣三,龚绍文.高频功率电子学(第一版)[M].北京: 1)变换器的饱和电感值要根据饱和电流值和滞 科学出版社,1993. Soft-switching Analysis of Phase—Shifted—FB-ZVS—PWM DC—DC Converter With Saturable Inductor DU dun ,ZHOU Luo—wef,厶己,Zhi-guo2 (1.Chongqing Communication University,Chongqing 400067,China; 2.College of Elctrical Engineering,Chongqing University,Chongqing 400030,China) Abstract:Compared with the tradiitonal full·bridge(FB)zero—voltage—switched(ZVS)pulsewidth—modulated(PWM) converter,the FB—ZVS—PWM converter wiht a saturable inductor has a wider load range with ZVS and smaller circulating energy as well as smaller duty cycle loss.By analyzing hte operation principle of hte converter.this paper studies design considerations of hte parameter bringing about ZVS and dead time fo hte switch,and gives out hte design methdo,finally simulation testing has been carried out. Key words:zero—voltage—switched(zvs);resonant parameters;dead time;simulation;saturable inductor;converter (编辑陈移峰)
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