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    2014-7-6 07:41
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       O 引言   全桥移相ZVS变换器近年来得到了广泛关注,在中大功率的通讯电源和电力操作电源中得到广泛的应用。然而,这种控制方法有以下几个明显的缺点。   (1)滞后臂开关管在轻载下将失去零电压开关功能;   (2)为了实现滞后臂的ZVS,必须在电路中串联电感,这会引起占空比丢失,增人了原边电流定额;   (3)原边存在较大环流,增加了系统通态损耗。   为了解决这些问题,人们针对IGBT拖尾电流大的特点义提出了全桥移相ZVZCS变换器。其主要思路是超前臂实现ZVS,滞后臂实现ZCS,从而从根本上解决了原先全桥移相ZVS变换器中滞后臂零电压开关困难的问题。由于不需要外加电感,占空比丢失问题随之解决,环流也大大减小。实现滞后臂的ZCS目前主要有以下几种办法。   (1)副边有源箝位的ZVZCS方法,但增加了成本,并由于需要复杂的隔离驱动而降低了可靠性;   (2)副边无源箝位和原边无源箝位;   (3)利用IGBT的反向雪崩击穿电压;   (4)原边串联饱和电感和隔直阻断电容。   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才能实现ZVS导通。传统的移相控制很难调整这个死区时间。   本文研究了一种名为有限双极性控制的控制方法,配合上面介绍的原边串联饱和电感和隔直电容的ZVZCS PWM全桥拓扑,可以在很宽的负载范围内实现超前臂的ZVS和滞后臂的ZCS。    1 ZVZCS PWM全桥电路有限双极性控制原理分析   l.1 电路拓扑   有限双极性控制ZVZCS PWM全桥电路拓扑如图1所示。S1~S4共4个功率管(内带续流二极管)组成一个全桥电路。其中,S1、S2组成超前桥臂,两端分别并联吸收电容C1、C2、S3、S4组成滞后桥臂;Cb为隔直电容,Ls为饱和电感。    l.2 工作原理   改进传统的移相PWM电路,采用有限双极性的控制方法,超前臂与滞后臂同时开通,并且在超前臂与滞后臂之间串联一个隔直电容Cb以及饱和电感Ls。饱和电感相当于一个开关,有电流的时候电感饱和,相当于短路;没有电流或电流很小时,有较大电感。利用隔直电容在环流期间加速环流衰减,使得滞后臂实现零电流关断,并且利用饱和电感Ls阻止LC振荡电流反向(反向电流不足以使饱和电感饱和,其电感值很大);在滞后臂开通时.由于饱和电感处于不饱和状态,电流上升慢,实现零电流开通。图2所示即为全桥有限双极性控制时序及各主要变量响应图。其中,vgs1~vgs4为S1~S4管的驱动波形,Uab为ab两点间电压,ip为原边电流。    1.2.1 模态1——功率传输   在t0~t1时刻,S1和S4导通,此时电流ip一方面通过变压器原边将电能传输到负载,另一方面给阻断电容cb充电,Ls处于饱和状态,电容Cb电压线性增加。Ip=I0/n恒定不变。如图3所示。    1.2.2 模态2——超前臂的零电压关断   超前臂S1于t1时刻关断,原边电流ip从S1中转移到C1、C2支路中,C1充电,C2放电。因为C1电压不能突变,开始时为零,实现S1的零电压关断;饱和电抗器流过电流,尚未退出饱和状态,阻抗为零。当Uc2降到零,二极管D2续流,t2时刻S2上的电压为零,为以后S2的零电压开通做好准备。如图4所示。    1.2.3 模态3——Cb阻断环流   t2时刻,ip通过S4和D2续流,阻断电容Cb的电压上升到最大Ucpb。饱和电感Ls尚未退出饱和状态。由于变压器原边的电压为零,原边电流小于副边电流,副边电感使整流二极管D5~D8均处于正向导通阶段,变压器原、副边短路。Ucb全部加在变压器漏感上。在阻断电容Cb的作用下,原边电流迅速下降。如图5所示。    1.2.4 模态4——滞后臂零电压零电流关断   t3时ip下降为零时,在Ucb作用下ip反向变化,由于Ls退出饱和状态,呈现大阻抗,所以阻断电容电压不变,S4仍然导通,但是没有电流流过。t4时滞后臂S4零电压零电流自然关断。此叫不对负载传输功率。如图6所示。    1.2.5 模态5——超前臂零电压零电流开通、滞后臂零电流开通   t5时S2、S3同时开通。在导通的瞬间,由于Ls不饱和,其阻抗很大,电流上升速度缓慢。S2、S3处于零电流导通状态。且开通时电容C2上的电压基本等于零,所以超前臂S2实现了ZVZCS。这段时间内,阻断电容的电压小变,原边电流基本等于零,电源电压加在饱和电感上,经一段时间促使其饱和,然后电流再线性增加。   t6时刻,原边电流上升到I0/n,副边整流二极管D6和D7导通,完成对管间的切换回到模态l的工作状态。如图7所示。   以上是半个周期的工作情况,另一半情况相似。从上面可以看到,滞后臂处于零电流开通和零电流关断;超前臂零电压开通,关断靠并联在管子上的电容实现近似零电压关断。    1.3 全范围实现ZVS和ZCS的约束条件   1.3.1 超前臂实现ZVS的条件   (1)超前臂的零电压关断   由于输出外并电容的存在,可以控制关断管的电压上升速度。电容的容值越大,电压的上升速度越慢,超前臂的零电压关断效果越好。   (2)超前臂实现零电压开通的条件   模态2中C2的放电时间为   为了保证超前臂的零电压开通,两个超前臂的死区时问td(即t5一t4)必须满足 td≥tr   当轻载时,C2放电需要的时间tr相应增大,但轻载时有限双极性控制的两个超前臂的死区时间也相应增大,从而克服了传统移相控制死区不好调整的问题,因此C1、C2可较大,以改善超前臂零电压关断效果。    1.3.2 滞后臂实现ZCS的条件   由于饱和电感的存在,滞后臂开通瞬间,电路中电流上升速度缓慢,可视为零电流开通。ZCS实现的程度主要取决于饱和电感的阻晰时间(即充磁时间)。阻断时间tm的计算如下。   式中:N为匝数;Br为磁芯的饱和磁密;Bs为磁芯的剩余磁密。    2 双环控制原理及其实现   2.1 电压电流双环控制   传统的方法采用电压模式单闭环控制,这种控制方法响应较慢,也不能对功率器件进行实时电流限制,为了实现电压电流可控,平均电流模式采用双闭环控制,其内环控制输出的平均电流,外环控制输出电压,提高了系统响应速度。    2.2 控制电路设计   采用集成芯片UC3525外加运放构成平均电流模式控制电路,并用外加逻辑电路的方式形成有限双极性控制的4路控制信号。如图8所示。 点击看原图   (1)外环控制 电压给定信号与输出电压反馈信号经运放U1补偿比较得Ue,接到UC3525的内部误差放人器正相输入端的脚2。当输出电流超过给定限流值时,D11导通,Ue被箝在给定限流值上。   (2)内环控制 采样电阻检测输出电流,并通过电流检测放大器得电流反馈信号。接到UC3525的内部误差放大器反相输入端的脚1,与Ue进行比较。UC3525的脚9为反馈补偿端。   (3)有限双极性控制 UC3525的脚4为同步信号输出,该信号作为D触发器(U3)的时钟信号,U3的Q端(脚1)和Q端(脚2)即可得到占空比为50%、相位相差180°的两组脉冲,S11、S12用于控制死区时间。    3 仿真与实验验证   这种有限双极性控制的ZVZCS PWM全桥变换器,已应用到一种15KW(300V/50A)电源模块的设计当中。其主要技术参数如下。 输入DC 430~650V直流; 输出DC 170~340V:DC0~50A; 开关工作频率20kHz; 死区时间1 μs; 隔直电容Cb=4 μF; IGBT并联电容C1=C2=22nF; 变压器原副边匝数比为15:13; 输出滤波电感0.15mH; 输出滤波电容2200μF。    3.l 仿真结果   额定功率下超前臂的ZVS波形如图9所示。   滞后臂的ZCS波形如图10所示。   实验验证了仿真结果的正确性。    3.2 实验波形   当100%负载时,超前臂实现ZVS波形图如图11所示(管压波形100V/div,驱动波形5V/div)。   从图ll可看出,超前臂开通(即驱动信号为高)时,由于之前反并二极管续流的原因,管压为零。超前臂关断时,由于超前管上并联电容的原因,管压上升缓慢,基本实现超前臂ZVS。从图11中超前臂管压波形中可明显看出,由于软开关的实现,功率管上的电压尖峰基本消除。   滞后臂实现ZCS波形图如图12所示。   滞后臂开通(即管压从500V变为0V)时,由于饱和电感的存在,电流推迟2μs上升,实现零电流开通。而后超前臂关断,由于隔直电容的存在,电流迅速衰减至零。为滞后臂的零电流关断提供条件。图12中,滞后臂ZCS实现十分理想,原边电流环流衰减迅速,达到预期效果。   l0%负载时,超前臂实现ZVS波形图如图13所示。   由图13可以看出,轻载时,原边电流变小,并联电容的充放电速度明显减缓,反映在图中即超前臂的管压的上升下降沿变平缓。但此时超前臂的占空比也相应减小,死区时间自动加长,为并联电容提供了足够长的放电时间,保证了超前臂的零电压开通。关断时,由于并联电容充电缓慢的原因,使零电压关断的效果更加理想。   滞后臂实现ZCS波形图如图14所示。   轻载时,占空比相应减小,为原边电流衰减至零提供了充足的时间,保证了滞后臂ZCS的实现。   由以上各图,可明显看出有限双极性控制在10%~lOO%负载范围内超前臂的ZVS和滞后臂的ZCS都实现得十分理想。且从原边电流ip的波形上可明显看出原边环流衰减十分迅速,保证在较宽的负载范围内实现高效率,实验证明整机效率可达94%。    4 结语   (1)采用有限双极性控制的方法克服了移相控制死区调整困难的问题,使得超前臂可以在很宽的负载范围内实现ZVS。而且C1、C2可选取的范围较大,大大改善了超前臂零电压关断的效果。   (2)由于饱和电感的存在,可以在全范围内实现滞后臂的ZCS。隔直电容用来减小环流。   (3)软开关的实现,消除了开关管电压尖峰,降低了开关损耗,可以在较宽的负载范围内实现高效率。