摘 要: 提出了一種新型FB-ZVZCS-PWM變換器,它在全橋交換器的基礎(chǔ)上在次級(jí)增加無(wú)源無(wú)損錯(cuò)位電路,實(shí)現(xiàn)了滯后臂的零電流開(kāi)關(guān),給出了設(shè)計(jì)方法和實(shí)驗(yàn)結(jié)果.
關(guān)鍵詞: 直流變換器;環(huán)流/零電壓零電流開(kāi)關(guān)
正文:
1 引言
移相控制FB-ZVZCS-PWM變換器存在環(huán)流問(wèn)題,而且初級(jí)漏感需要有較大的儲(chǔ)能才能保證滯后管的零電壓導(dǎo)通.在輕載條件下,實(shí)現(xiàn)零開(kāi)關(guān)需要較大的初級(jí)偏感,而大漏感將會(huì)帶來(lái)較大的占空比損失等問(wèn)題,使交換器的效率降低,系統(tǒng)損耗增加.曾使用次級(jí)鉗位網(wǎng)絡(luò)的方法使變換器在初級(jí)電壓到零時(shí)初級(jí)電流迅速下降到零,滯后臂實(shí)現(xiàn)了零電流開(kāi)通,解決了環(huán)流帶來(lái)的損耗,大大減小了占空比損失.但需要增加繞組的增加功率開(kāi)關(guān)管,并會(huì)在變壓器次級(jí)產(chǎn)生較大的電壓尖峰.本文提出一種新型的次級(jí)鉗位FB-ZVZCS-PWM變換器,通過(guò)次級(jí)引出的中間抽頭與電容連接,在二極管的作用下,可在初級(jí)續(xù)流期間使初級(jí)電流迅速下降實(shí)現(xiàn)滯后臂零電流開(kāi)通和關(guān)斷.與前面提出的次級(jí)錯(cuò)的拓?fù)湎啾?無(wú)需在基本移相控制FB-ZVS-PWM電路的基礎(chǔ)上增加功率開(kāi)關(guān)管,也不需要增加飽和電抗器或增加繞組,降低了控制難度和工藝復(fù)雜性.同時(shí)通過(guò)一個(gè)鉗位二極管的作用使次級(jí)電壓鉗位,降低了次級(jí)電壓的尖峰.
2 工作原理
新型次級(jí)鉗位FB-ZVZCS-PWM變換器的拓?fù)淙鐖D1所示.在傳統(tǒng)電路的基礎(chǔ)上,變壓器的次級(jí)采用全波整流帶中間抽頭的結(jié)構(gòu),中間抽頭通過(guò)二極管VDC1連接一個(gè)電容CC,該電容通過(guò)另一個(gè)二極管VDC2與變壓器次級(jí)輸出相連.當(dāng)變換器的能量由變壓器的初級(jí)轉(zhuǎn)移到次級(jí)時(shí)CC充電.由于二極管VDC3的鉗位作用,CC的電壓最大不會(huì)超過(guò)V0,在CC充電過(guò)程中次級(jí)電壓VREC被鉗位在2V0.VDC2在能量傳遞階段不會(huì)導(dǎo)通.當(dāng)變壓器初級(jí)電壓下降時(shí),次級(jí)的電壓VREC也相應(yīng)下降,當(dāng)VREC降到小于CC的電壓時(shí),VDC2導(dǎo)通,使VREC下降的速度小于初級(jí),次級(jí)繞組的電流的下降速度也將小于初級(jí),相當(dāng)于在初級(jí)增加了一個(gè)反相的電壓,使初級(jí)電流迅速降為零,減小了環(huán)流的損耗和占空比損失,并使滯后管實(shí)現(xiàn)了零電流開(kāi)通.圖3為各開(kāi)關(guān)管的次序圖及有關(guān)波形圖.該電路的詳細(xì)工作過(guò)程分析如下:
(1)模式1(T.~T1):T.時(shí)刻VT4導(dǎo)通,在已導(dǎo)通的VT1共同作用下,初級(jí)電壓由零變?yōu)閂AB,二極管VD11、CD13導(dǎo)通,變壓器初級(jí)向次級(jí)傳遞能量.次級(jí)的CC通過(guò)VDC1以及初級(jí)的漏感LLK充電,電容上的電壓由零諧振上升至V0.等效電路如圖2A.由于對(duì)CC從電壓為零開(kāi)始充電,使初級(jí)電流上升速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于沒(méi)有次級(jí)鉗位電容CC的變換器,減小了因初級(jí)漏感帶來(lái)的占空比損失.CC上的電壓、電流分別為:
此過(guò)程中,當(dāng)CC上的電壓達(dá)到V0時(shí),由于CF較大可以看成為電壓源,VDC3開(kāi)通CC的電壓鉗位到V0.VREC將是CC上電壓的2倍,上升至2 V0.
(2)模式2(T1~T2):T1時(shí)刻VDC3導(dǎo)通,LLK上的電流繼續(xù)諧振,當(dāng)次級(jí)中心抽頭上的電流諧振到零后,VDC1關(guān)斷,此過(guò)程中CC上的電壓一直鉗位為V0,VREC保持為2 V0.
(3)模式3(T2~T3):T3時(shí)刻VDC1關(guān)斷后,VREC的電壓恢復(fù)為V2(V2=VS/M),初級(jí)繼續(xù)向次級(jí)傳遞能量.由于V2>V0,二極管VDC2不會(huì)導(dǎo)通,CC上的電壓保持不變.
(4)模式 4(T3~T4):T3時(shí)刻 VT1斷開(kāi),由于VT1并聯(lián)有C1,VT1的電壓不能突變,使VT1實(shí)現(xiàn)零電壓關(guān)斷.超前臂上的C1、C2分別通過(guò)初級(jí)的漏感和次級(jí)折算到初級(jí)的電感諧振充、放電,使VT2的電壓逐漸向零變化.
(5)模式5(T4~T5):變壓器初級(jí)的電壓下降,T4時(shí)刻次級(jí)VREC
(6)模式6(T2~T6):初級(jí)電壓諧振到零后,由于CC的作用,二極管VD11、VD13不會(huì)馬上關(guān)斷,相當(dāng)于在初級(jí)增加了一個(gè)反相的電壓,使初級(jí)的電流迅速降為零.(等效電路如圖2C)此時(shí)變壓器初級(jí)的電流IP和CC上的電壓V CC分別為:
(7)模式7(T6~T7):初級(jí)電流降為零后,其不再向次級(jí)傳遞能量.由于LF的存在,次級(jí)的電流將不變.此時(shí)VDC2是導(dǎo)通的,由CC向負(fù)載提供能量(等效電路如圖2D)CC上的電壓相應(yīng)減小至零.其中:式中V——模式開(kāi)始時(shí)CC上的電壓
(8)模式8(T7~T8):T7時(shí)刻,CC上的電壓減小至零.由LF與CF繼續(xù)向負(fù)載提供恒定的電流與電壓.隨后,超前臂VT2零電壓導(dǎo)通.
(9)模式9(T8以后):此階段中,滯后回VT4零電流關(guān)斷VT3零電流導(dǎo)通.電路重復(fù)模式1.
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
實(shí)驗(yàn)采用的電路參數(shù)為:變壓器變比M=N1:N2＝20:20,初級(jí)漏感LLK=15UH,超前往旁路電容C1~C2=9NF,次級(jí)鉗位電容CC＝220NF,開(kāi)關(guān)頻率為 20KHZ.
圖4是超前行開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)電壓與開(kāi)關(guān)電壓波形,由圖可知,超前行是零電壓導(dǎo)通和關(guān)斷.圖5、圖6分別是有和無(wú)次級(jí)鉗位電路時(shí)的變壓器初級(jí)的電流電壓波形,由圖可知,使用了次級(jí)鉗位網(wǎng)絡(luò)的電路消除了電流環(huán)流現(xiàn)象.同時(shí),可以看出使用了次級(jí)鉗位網(wǎng)絡(luò)的電路雖然初級(jí)漏感取得較大,初級(jí)電流變化很快,但占空比損失極小.圖7是變壓器次級(jí)的電壓波形和次級(jí)鉗位電容CC的電壓,由圖可知,該拓?fù)潆娐方档土舜渭?jí)電壓的尖峰.
該實(shí)驗(yàn)電路使用次級(jí)鉗位電路前后輸入輸出功率與效率的對(duì)比如下表所示.
拓樸形式 輸入功率(W) 輸出功率(W) 效率
有次級(jí)鉗位電路 273.6 232.5 84.98%
無(wú)次級(jí)鉗位電路 289.5 232.5 80.31%
由理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知:所提出的新型次級(jí)錯(cuò)位網(wǎng)絡(luò)在傳統(tǒng)全橋交換器的基礎(chǔ)上無(wú)需增加功率開(kāi)關(guān)管和繞組,消除了電流環(huán)流現(xiàn)象,減小了占空比損失,提高了變換器的效率,并使次級(jí)電壓鉗位,降低了電壓尖峰.
