零壓零流開關電源的研究與應用

摘要：提出一種新型的軟開關電路拓撲，通過仿真分析和試驗驗證，實現了變換器的零壓零流開關特性，降低了開關損耗，并已應用于通信開關電源。

關鍵詞：變換器零壓零流開關仿真

Study and Application of Zero? Voltage Zero? Current Switching Power Supply

Abstract:A novel soft switching circuit topology is introduced in this paper.Through the simulation analysis and experimental results,the zero? voltage zero? current switching characteristics of converter are realized,the switching losses are reduced and it has been applied in communication power supply.

Keywords:Converter,Zero? voltage zero? current switching,Simulation

1引言

目前，具有諧振軟開關和PWM控制特點的，相移全橋零電壓PWM(FB?ZVS?PWM)變換器得到了廣泛應用，由于功率開關器件實現了零電壓開關，從而減小了開關損耗，提高了電源系統的穩定性。但是，FB?ZVS?PWM變換器仍然存在占空比丟失嚴重、環路導通損耗大等缺點。為此，在以上研究的基礎之上，本文提出了一種新型的零電壓零電流拓撲結構，改善了器件的運行狀態，通過仿真分析和試驗研究，實現了變換器的零壓零流開關特性，并已成功用于通信開關電源。

2工作原理

相移全橋零壓零流PWM(FB?ZVZCS?PWM)逆變電路的結構如圖1所示。S1～S4為功率開關器件，D1～D4為器件自身反并二極管，D5和D6為阻斷二極管，C1～C2為S1和S2的旁路電容，Cb為隔直電容。零壓零流逆變電路的相關波形如圖2所示。

　　在零壓零流軟開關逆變電路的工作過程中，半個周期有六種工作模式，如圖3所示。具體工作過程如下：

圖1零壓零流逆變電路原理圖

圖2零壓零流逆變電路相關波形

Mode1:

　　[t0～t1]期間，S1、S4導通，uAB=Ui，變壓器T向次級傳遞能量，隔直電容Cb電壓線性上升。

Mode2:

　　[t1～t2]期間，S1關斷，S4仍然導通，S1兩端并聯電容C1充電至Ui,S2兩端并聯電容放電至零時，S2的反并聯二極管D2導通，若S2隨后導通，即為零電壓導通。

Mode3:

　　[t2～t3]期間，S1、S4導通，uAB=0，隔直電容Cb電壓全部加在變壓器T漏感上，初級電流線性下降至零。

Mode4:

(a)Model(t0～t1)

(b)Mode2(t1～t2)

(c)Mode3(t2～t3)

(d)Mode4(t3～t4)

(e)Mode5(t4～t5)

(f)Mode6(t5～t6)

圖3零壓零流逆變電路工作模式分析示意圖

　　[t3～t4]期間，S2、S4導通，阻斷二極管D6阻止初級電流反向流動，變壓器初級無電流流過，仍將保持為零。

Mode5:

　　[t4～t5]期間，S4關斷，S2導通。由于初級無電流流過，S4的關斷為零電流關斷，電路處于開路狀態。

Mode6:

　　[t5～t6]期間，S2、S3導通，初級電流瞬時仍保持為零。隨后，初級電流增大，隔直電容電壓線性下降，變壓器初級向次級傳遞能量。

3電路特點

零壓零流軟開關逆變電路利用了與滯后臂串聯阻斷二極管的阻斷工作特性，可以在寬負載范圍內實現超前臂功率器件的零電壓開關和延遲臂功率器件的零電流開關。

3?1超前臂功率器件的零電壓開關

　　與零壓軟開關逆變電路一樣，零壓零流軟開關逆變電路超前臂功率器件的零電壓開通可通過輸出濾波電感中的能量來實現，其軟開關程度主要取決于旁路電容和原邊電流。

　　旁路電容充放電時間為：

式中：Ui——輸入直流電壓；

　　C——超前臂功率器件旁路電容量；

　　Ip——初級電流，類似一個恒流源。

　　功率器件開通時，變壓器初級電流已通過器件反并二極管流動，集射極間電壓為零。若旁路電容量較大，電路不僅可以在寬負載范圍內實現零電壓導通，而且可減小IGBT的關斷損耗。

3?2延遲臂功率器件的零流開關

　　在續流階段，變壓器初級電流保持為零，延遲臂功率器件的開通和關斷都將在零電流條件下完成的，減小了IGBT的開關損耗。如果延遲臂實現零電流開關，初級電流必須在延遲臂關斷之前從負載電流減小為零，并在此后保持為零。

初級電流從負載電流降低為零的時間為：式中：Llk——主變壓器漏感量；

　　Cb——隔直電容量；

　　D——占空比；

　　Ts——開關周期。

　　從上式可以看出，電流下降時間與負載無關，因此，如果開關時間設置合適，延遲臂可以在任意負載范圍內實現零電流開關。

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4試驗研究

采用FB?ZVZCS?PWM變換器，成功研制出大功率通信開關電源。具體技術參數如下：

　　輸入電壓：三相380V

　　開關頻率：25kHz

　　輸出功率：≥3kW

　　效率：≥92％

　　超前臂功率器件的電流波形和集射極間電壓波形、延遲臂功率器件的電流波形和集射極間電壓波形、變壓器初級電流波形和逆變電路中點電壓波形如圖4所示，其中，(a)(c)(e)為仿真波形，(b)(d)(f)為試驗波形。

5結語

通過以上分析和試驗研究，得出以下結論：

　　（1）FB?ZVZCS?PWM逆變電路可在寬負載范圍內實現超前臂功率器件的零電壓和延遲臂功率器件的零電流開關；

　　（2）續流階段，變壓器初級電流為零，有效降低了環路損耗；

　　（3）與FB?ZVS?PWM逆變電路相比，效率明顯提高。

參考文獻

1阮新波.PWMDC/DC全橋變換器的軟開關技術研究[博士后研究報告].南京航空航天大學，1998

2J.G.Cho,J.Sabate,G.Hua,and F.C.Lee. Zero? Voltage and Zero? Current? Switching Full Bridge for high Power Application.IEEE transaction,Power Electronics, 1996（ 11） ： 622～ 628

3張占松，蔡宣三.開關電源的原理與設計.電子工業出版社，1998