軟開關(guān)全橋移相控制PWM變換器

1、 全橋變換電路全橋變換電路(Full-bridge converter)一般適合一般適合于中大功率應(yīng)用場合，主要因?yàn)樗哂须妷?、電流額定于中大功率應(yīng)用場合，主要因?yàn)樗哂须妷?、電流額定值較小，功率變換器利用率較高等優(yōu)點(diǎn)。（值較小，功率變換器利用率較高等優(yōu)點(diǎn)。（FB）ZVS-PWM在移相控制（在移相控制（Phase-shifted control PSC）基）基礎(chǔ)上，利用礎(chǔ)上，利用MOS管的輸出電容和變壓器漏感作為諧振管的輸出電容和變壓器漏感作為諧振元件，使元件，使FB-PWM變換器的四個(gè)開關(guān)管依次在零電壓變換器的四個(gè)開關(guān)管依次在零電壓下導(dǎo)通，電容作用下零電壓關(guān)斷，通過移相控制實(shí)現(xiàn)占下導(dǎo)通，電容

2、作用下零電壓關(guān)斷，通過移相控制實(shí)現(xiàn)占空比調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)恒頻軟開關(guān)。空比調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)恒頻軟開關(guān)。一、一、工作原理工作原理4-7 軟開關(guān)全橋移相控制軟開關(guān)全橋移相控制PWM變換器變換器Q1Q2Q3Q4Q1Q2Q3Q4Q1Q2Q3Q4全橋全橋PWM電路的控制方式電路的控制方式（1）雙極性控制方式）雙極性控制方式（2）移相控制方式）移相控制方式（3）有限雙極性控制方式）有限雙極性控制方式1（4）有限雙極性控制方式）有限雙極性控制方式2Q1Q2Q3Q4基本移相控制基本移相控制FB-ZVS-PWM變換器變換器aLfQ1R0CfVinQ4LrD1Q3Q2D2D4D3D5D6C2C4C3C1bT二、二、運(yùn)行

3、過程分析運(yùn)行過程分析tt1t3t2t0t4t50iptvrectttvdstvabQ4Q3Q2Q10t61、t0t1正向?qū)ǘ握驅(qū)ǘ?、t1t2充放電階段充放電階段（超前臂）（超前臂） 3、t2t3零壓開通續(xù)流零壓開通續(xù)流階段階段 4、t3t4諧振充放電階諧振充放電階段（滯后臂）段（滯后臂） 5、t4t5電容充電階段電容充電階段6、t5t6電流換向階段電流換向階段tt1t3t2t0t4t50iptvrectttvdstvabQ4Q3Q2Q10t6（a）t0，t1Q1、Q4導(dǎo)通階段導(dǎo)通階段（b）t1，t2充放電階段充放電階段aLfQ1R0CfQ4LrD1Q3Q2D2D4D3D5D6C2C4C

4、3C1bTVinaLfQ1R0CfQ4LrD1Q3Q2D2D4D3D5D6C2C4C3C1bTVintt1t3t2t0t4t50iptvrectttvdstvabQ4Q3Q2Q10t6（c）t2，t3Q2零壓開通續(xù)流階段零壓開通續(xù)流階段（d）t3，t4諧振充放電階段諧振充放電階段aLfQ1R0CfQ4LrD1Q3Q2D2D4D3D5D6C2C4C3C1bTVinaLfQ1R0CfQ4LrD1Q3Q2D2D4D3D5D6C2C4C3C1bTVintt1t3t2t0t4t50iptvrectttvdstvabQ4Q3Q2Q10t6（e）t4，t5Q3開通續(xù)流階段開通續(xù)流階段（f）t5，t6電流換向

5、階段電流換向階段aLfQ1R0CfQ4LrD1Q3Q2D2D4D3D5D6C2C4C3C1bTVinLfQ1R0CfQ4LrD1Q3Q2D4D3D5D6C2C4C3C1bTVinaD2tt1t3t2t0t4t50iptvrectttvdstvabQ4Q3Q2Q10t6（e）t4，t5Q3開通續(xù)流階段開通續(xù)流階段（f）t5，t6電流換向階段電流換向階段aLfQ1R0CfQ4LrD1Q3Q2D2D4D3D5D6C2C4C3C1bTVinLfQ1R0CfQ4LrD1Q3Q2D4D3D5D6C2C4C3C1bTVinaD21、實(shí)現(xiàn)、實(shí)現(xiàn)ZVS的條件的條件 開關(guān)管由于輸出結(jié)電容的作用，均為零電壓關(guān)開關(guān)管

6、由于輸出結(jié)電容的作用，均為零電壓關(guān) 斷。斷。為了實(shí)現(xiàn)零電壓導(dǎo)通必須滿足兩個(gè)條件：為了實(shí)現(xiàn)零電壓導(dǎo)通必須滿足兩個(gè)條件：（1）通過諧振使將要導(dǎo)通管結(jié)電容完全放電（抽走附）通過諧振使將要導(dǎo)通管結(jié)電容完全放電（抽走附加電容上的電荷）；加電容上的電荷）；（2）同一橋臂導(dǎo)通與關(guān)斷信號間的間隔應(yīng)大于相應(yīng)結(jié)）同一橋臂導(dǎo)通與關(guān)斷信號間的間隔應(yīng)大于相應(yīng)結(jié)電容充放電時(shí)間。電容充放電時(shí)間。 即即 （7-1）三、三、幾點(diǎn)討論幾點(diǎn)討論2221VCVCEinTRini超前臂實(shí)現(xiàn)超前臂實(shí)現(xiàn)ZVS較容易：較容易：超前臂開關(guān)過程中，濾波電感與諧振電感串聯(lián)，超前臂開關(guān)過程中，濾波電感與諧振電感串聯(lián)，電感值較大，儲能很容易使電容完成

7、充放電狀態(tài)轉(zhuǎn)電感值較大，儲能很容易使電容完成充放電狀態(tài)轉(zhuǎn)換，即滿足式（換，即滿足式（7-1）。）。滯后臂實(shí)現(xiàn)滯后臂實(shí)現(xiàn)ZVS較困難：較困難：滯后臂開關(guān)過程中，變壓器副邊短路，負(fù)載側(cè)滯后臂開關(guān)過程中，變壓器副邊短路，負(fù)載側(cè)與變壓器原邊沒有關(guān)系，此時(shí)用來實(shí)現(xiàn)與變壓器原邊沒有關(guān)系，此時(shí)用來實(shí)現(xiàn)ZVS的能量的能量只是諧振電感中的能量：只是諧振電感中的能量：（7-2）所以滯后臂實(shí)現(xiàn)所以滯后臂實(shí)現(xiàn)ZVS較困難，負(fù)載較輕時(shí)，零電壓較困難，負(fù)載較輕時(shí)，零電壓功能喪失。功能喪失。22222121VCVCILinTRinlagr2、占空比的丟失、占空比的丟失FB-ZVS-PWM變換器中，變壓器原邊占空比與變換器中

8、，變壓器原邊占空比與副邊電壓占空比是不一樣的。副邊占空比丟失是副邊副邊電壓占空比是不一樣的。副邊占空比丟失是副邊占空比與原邊占空比的差值：占空比與原邊占空比的差值：原因：原邊電流從正向（負(fù)向）變化到負(fù)向（正原因：原邊電流從正向（負(fù)向）變化到負(fù)向（正向）時(shí)段，雖然原邊有負(fù)電壓方波，但不足以提供負(fù)向）時(shí)段，雖然原邊有負(fù)電壓方波，但不足以提供負(fù)載電流，副邊載電流，副邊D5、D6同時(shí)導(dǎo)通，故副邊電壓被箝位在同時(shí)導(dǎo)通，故副邊電壓被箝位在零，這樣副邊就出現(xiàn)了占空比損失零，這樣副邊就出現(xiàn)了占空比損失Dloss（丟失這部分（丟失這部分電壓方波）。電壓方波）。Lr越大，越大，Dloss越大；負(fù)載越大，越大；負(fù)載

9、越大，Dloss越大；越大；Vin越越低，低，Dloss越大。越大。DDDSPlosst1t3t2t0t4t50ipvrecttvdstvab0t6原邊采用飽和電感結(jié)構(gòu)原邊采用飽和電感結(jié)構(gòu)縮短換流時(shí)間縮短換流時(shí)間aLfQ1R0CfVinQ4LSD1Q3Q2D2D4D3D5D6C2C4C3C1bT3、優(yōu)缺點(diǎn)分析、優(yōu)缺點(diǎn)分析優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：與常規(guī)全橋與常規(guī)全橋PWM變換器相比，移相式變換器相比，移相式FB-ZVS-PWM變換器取消了變換器取消了snubber電路，利用變壓器電路，利用變壓器漏感和開關(guān)管結(jié)電容諧振，通過移相控制方式使開漏感和開關(guān)管結(jié)電容諧振，通過移相控制方式使開關(guān)管實(shí)現(xiàn)了零電壓導(dǎo)通與關(guān)斷

10、，保持了恒頻控制，關(guān)管實(shí)現(xiàn)了零電壓導(dǎo)通與關(guān)斷，保持了恒頻控制，開關(guān)管的電流、電壓應(yīng)力沒有增加。開關(guān)管的電流、電壓應(yīng)力沒有增加。缺點(diǎn)缺點(diǎn)：（1）滯后臂在輕載下將失去零電壓功能；滯后臂在輕載下將失去零電壓功能；（2）原邊有較大環(huán)流，影響變換效率；）原邊有較大環(huán)流，影響變換效率；（3）副邊存在占空比丟失；）副邊存在占空比丟失；（4）輸出整流二極管為硬開關(guān)，整流管兩）輸出整流二極管為硬開關(guān)，整流管兩端會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重電壓過沖及振蕩現(xiàn)象，開關(guān)噪聲較大。端會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重電壓過沖及振蕩現(xiàn)象，開關(guān)噪聲較大。四、移相控制四、移相控制ZVZCSFB-PWMDC/DC變換器變換器由于由于MOSFET通態(tài)通態(tài)損耗較大，大功率場

11、合損耗較大，大功率場合宜選用宜選用IGBT。為減小。為減小IGBT關(guān)斷時(shí)的電流拖尾關(guān)斷時(shí)的電流拖尾，最好使其工作在零電，最好使其工作在零電流開關(guān)狀態(tài)。流開關(guān)狀態(tài)。ZVZCS可可實(shí)現(xiàn)超前臂實(shí)現(xiàn)超前臂ZVS，滯后，滯后臂臂ZCS開關(guān)。開關(guān)。結(jié)構(gòu)上增加了阻斷電結(jié)構(gòu)上增加了阻斷電容容Cb來復(fù)位原邊電流，來復(fù)位原邊電流，滯后臂串聯(lián)二極管，切滯后臂串聯(lián)二極管，切斷斷ip反向通路。反向通路。運(yùn)行過程分析運(yùn)行過程分析（a）t0時(shí)刻時(shí)刻Q1、Q4通，通，Cb充電充電（b）t0，t1Q1斷，斷，C1充電充電C3放電放電（c）t1，t2D3、Q4導(dǎo)通，導(dǎo)通， ip下降下降（d）t2，t3ip為零為零Vab=Vcbp

12、（e）t3，t4Q4零流斷開零流斷開Q2零流通零流通（f）t4，t5Cb反向充電，電流換向反向充電，電流換向1、實(shí)現(xiàn)滯后臂、實(shí)現(xiàn)滯后臂ZCS的條件：的條件：上式表明任意負(fù)載變化均可實(shí)現(xiàn)上式表明任意負(fù)載變化均可實(shí)現(xiàn)ZCS。2、滯后臂承受的電壓應(yīng)力、滯后臂承受的電壓應(yīng)力VQ2=Vin+VCbp3、阻斷電容的選擇、阻斷電容的選擇輸出滿載時(shí)電容電壓峰值輸出滿載時(shí)電容電壓峰值VCbp=20% VinTDCLtsyblk412UC3875的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)UC3875控制器及其應(yīng)用控制器及其應(yīng)用原邊加隔直電容原邊加隔直電容副邊加有源箝位副邊加有源箝位飽和電感的損耗和冷卻問題限制飽和電感的損耗和冷卻問題限

13、制了最大輸出功率；了最大輸出功率；電容能量由原邊提供，增加了原電容能量由原邊提供，增加了原邊電流應(yīng)力，邊電流應(yīng)力，成本增加；成本增加；副邊引入反向阻斷電壓源，電壓源由副邊引入反向阻斷電壓源，電壓源由電容構(gòu)成電容構(gòu)成; ;電感無需預(yù)先儲能，不增加原邊電流電感無需預(yù)先儲能，不增加原邊電流應(yīng)力；應(yīng)力； 副邊加耦合電感副邊加耦合電感移相控制移相控制FB-ZVZCS-PWM變換器變換器引入一個(gè)與濾波電感耦合的輔助繞組，利用感應(yīng)電動(dòng)勢作為反向引入一個(gè)與濾波電感耦合的輔助繞組，利用感應(yīng)電動(dòng)勢作為反向阻斷電壓源，將原邊電流復(fù)位至零；阻斷電壓源，將原邊電流復(fù)位至零；輔助電感無需預(yù)先儲能，不增加原邊電流應(yīng)力；輔助

14、電感無需預(yù)先儲能，不增加原邊電流應(yīng)力；新拓?fù)渚哂辛己玫耐ㄓ眯?，對不同箝位方式如阻容吸收、次級無新拓?fù)渚哂辛己玫耐ㄓ眯裕瑢Σ煌槲环绞饺缱枞菸?、次級無源箝位或有源箝位的全橋變換器均適用；源箝位或有源箝位的全橋變換器均適用；主開關(guān)管全部采用主開關(guān)管全部采用IGBT，工作頻率提高至工作頻率提高至100kHz，功率密度和功率密度和輕載效率顯著提高；輕載效率顯著提高； 新型新型FB-ZVZCS-PWM變換器拓?fù)渥儞Q器拓?fù)?2345678工作模態(tài)等效電路工作模態(tài)等效電路工作波形工作波形工作模態(tài)及工作波形工作模態(tài)及工作波形續(xù)流階段，原邊電流被迅速復(fù)位至零，實(shí)現(xiàn)滯后橋臂功率管續(xù)流階段，原邊電流被迅速復(fù)位至零

15、，實(shí)現(xiàn)滯后橋臂功率管的零電流開關(guān)（的零電流開關(guān)（ZCSZCS）；）；原邊電壓、電流波形原邊電壓、電流波形原邊電壓、電流波形擴(kuò)展原邊電壓、電流波形擴(kuò)展實(shí)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)結(jié)結(jié)果果-軟開關(guān)過程軟開關(guān)過程實(shí)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)結(jié)結(jié)果果-軟開關(guān)過程軟開關(guān)過程在門極驅(qū)動(dòng)信號到來前，超前橋臂功率管兩端的電壓已在死區(qū)在門極驅(qū)動(dòng)信號到來前，超前橋臂功率管兩端的電壓已在死區(qū)時(shí)間內(nèi)下降至零，因此超前橋臂功率管為零電壓開通；時(shí)間內(nèi)下降至零，因此超前橋臂功率管為零電壓開通；超前橋臂功率管超前橋臂功率管ZVSZVS開通波形開通波形 超前橋臂功率管超前橋臂功率管ZVSZVS關(guān)斷波形關(guān)斷波形 采用次級有源箝位后，整流管電壓過沖和振蕩現(xiàn)象完全消失，抑采用次級有源箝位后，整流管電壓過沖和振蕩現(xiàn)象完全消失，抑制效果好；制效果好；續(xù)流階段，耦合電感電流迅速上升至負(fù)載電流，原邊電流同時(shí)復(fù)續(xù)流階段，耦合電感電流迅速上升至負(fù)載電流，原邊電流同時(shí)復(fù)位至零；位至零；變壓器次級輸出功率，整流電壓箝位在箝位電容穩(wěn)態(tài)值，抑制過變壓器次級輸出功率，整流電壓箝位在箝位電容穩(wěn)態(tài)值，抑制過沖和振蕩。沖和振蕩。整流電壓、耦合電感電流整流電壓、耦合電感電流箝位開關(guān)管驅(qū)動(dòng)、電容電流波形箝位開關(guān)管驅(qū)動(dòng)、電容電流波形S