论文-有限双极性控制ZVZCS PWM全桥变换器
有限双极性控制ZVZCS PWM全桥变换器
万山明,黄声华 (华中科技大学,湖北 武汉 430074) 摘要: 研究了一种有限双极性控制ZVZCS PWM 全桥变换器,分 析了电路原理,给 出了一个应用实例. 关键词: 有限双极性控制; 零电压零电流开关; 全桥变换器
1引言
全桥移相ZVS变 换器近年来得到广泛注意. 然而, 这种控制方法有几个明显的缺点: 1) 由于存在环流, 开关管的导通损耗大, 轻载下效率较低, 特别是在占空比较小时, 损耗更严重; 2) 输出整流二极管存在寄生振荡; 3) 为了实现滞后桥臂的ZVS, 必须在电路中串联电感, 这就减小了有效占空比, 增大了原边电流定额. 为了解决这些问题, 人们对全桥移相ZVZCS变 换器进行了大量研究. 其主要思路是超前桥臂实现ZVS, 滞后桥臂实现ZCS. 这样在很大程度上解决了原先全桥移相ZVS变 换器存在的一些问题. 如环流在很大程度上减小乃至消除了; 由于不需要外加电感, 有效占空比减小等问题随之就不存在了. 实现滞后桥臂的ZCS, 总的来讲, 可以分成有源和无源两种方法. 采用副边有源钳位的ZVZCS方 法[1]增 加了成本, 并由于需要复杂的隔离驱动而降低了可靠性. 无源的方法又有副边无源钳位[2]和 原边无源钳位[3][4], 也可以原副边的无源钳位同时加上, 这样效果更好. 但移相控制本身还有一个难以克服的缺点,即死区时间不好调整.当负载较重时,由于环流大,超前桥臂功率管上 并联的电容放电较快,因此实现零电压导通比较容易,但当负载较轻时,超前桥臂功率管上并联的电容放电很慢,超 前桥臂的开关管必须延时很长时间后导通才能实现ZVS导 通. 专用的移相控制芯片如UC3875等 很难调整这个死区时间. 本文研究了一种称为有限双极性控制的控制方法, 配合上面的ZVZCS PWM 全桥拓扑, 能实现超前和滞后桥臂全范围的ZVZCS.
2 ZVZCS PWM 全桥电路有限双极性控制过程分析
有限双极性控制ZVZCS PWM 全桥电路功率部分如图1所 示. Q1～ Q4四 个功率管( 内带续流二极管) 组成一个全桥电路. 其中, Q1, Q2组 成超前桥臂, 两端分 别并联有吸收电容C1, C2, 用来实现Q1, Q2的 ZVS. L1为 高频变压器的漏感. Cb为 隔直电容, 用来实现滞后臂( 由Q3, Q4组 成) 的ZCS.
在有限双极性方法控制下, Q1～ Q4的 驱动时序见图2. 其中ug1, ug2为 脉宽可调的定频变宽脉冲; ug3, ug4为 互补方波, 频率, 脉宽固定. 当然考虑到直通的问题, ug3, ug4不 能同时为1, 要错开一个固定的死区时间. ug1, ug4的 上升沿( 表
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示Q1, Q4开 始导通) 一致, ug2, ug3的 上升沿一致. uAB表 示加在隔直电容及变压器两端的电压. 由于超前桥臂并联电容的存在,变压器端电压在下降时不会突然到零,而是有个过渡过程,其时间取决于并联电容的大小及负载电流等条 件. ip为 变压器绕组电流. ucb为 隔直电容Cb上 的电压, 其幅值取决于Cb大 小及其它条件, Cb越 小, ucb幅 值越大, ZCS实 现得越好, 但同时开关管电压应力又增大, 因此Cb不 能太小, 一般要让ucb最 大值小于直流输入电压的10% .
电路工作过程分析如下: 1) t0时 刻Q1, Q4同 时导通, 变压器原边电流ip开 始上升, 流向是从Q1到 L1, 变压器, Cb, Q4. 功率从原边流向副边, 同时隔直电容Cb上 的电压开始上升. 为了简化分析, 暂不考虑变压器的励磁电流和副边电流Io的 波动, 因此变压器原边电流ip(t)为 ip(t)=Ipo=Io/n ( 1) 式中: n为 变压器原副边匝比. 当然, 实际电路中由于副边整流二极管的反向恢复过程, ip(t)上 升沿有一个尖峰, 见图2. Cb两 端电压ucb(t)为
式中: ucbp为 电容Cb上 最大电压. 2) 在t1时 刻Q1关 断, Q1的 关断是ZVS关 断, 原边电流ip通 过C1( 充电) , C2( 放电) 继续按原方向流动. C2经 过一段时间的放电, 在t12时 刻C2上 的电压降到零, Q2上 的反并联二极管开始导通续流. 此阶段电容C2两 端电压uc2(t)变 化过程为

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