移相全橋ZVS變換器的優(yōu)化及參數(shù)設(shè)計(jì)

移相全橋ZVS變換器的優(yōu)化及參數(shù)設(shè)計(jì)史永勝;劉言新;王喜鋒;周鵬【摘要】AccrodingtothedifficultproblemthatparametersselectionofactualcircuitforthephaseshiftedfullbridgeZVSconverter,theworkingprincipleoftheconverteranddetaileddesignoftheresonantinductor,condens-er,highfrequencytransformer,filterinductanceandcapacitanceofkeycomponentsparametersinmaincircuitarebrieflyintroduced.A48V/1KW,50kHzprototypeisdeveloped.Thetestsshowthattheconverterreacheszerovolt-ageswitchat30%load,therippleislessthan2%,theefficiencyupto74%at30%load,theefficiencyupto85%at60%ormoreload,whichprovestherationalityofthedesignparameters.%針對(duì)移相全橋ZVS變換器實(shí)際電路參數(shù)選取困難問(wèn)題，簡(jiǎn)要介紹了其工作原理并以工程計(jì)算方法詳細(xì)設(shè)計(jì)了諧振電感、隔直電容、高頻變壓器、濾波電感電容等主電路關(guān)鍵元件參數(shù)。以此參數(shù)研制了一臺(tái)48V/1kW，50kHz的樣機(jī)，經(jīng)測(cè)試表明該變換器能在30%及以上負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)關(guān)，紋波小于2%，30%負(fù)載時(shí)效率達(dá)到74%，60%及以上負(fù)載時(shí)效率達(dá)到85%以上，證明了參數(shù)設(shè)計(jì)的合理性。【期刊名稱】《電子器件》【年(卷)，期】2016(039)003【總頁(yè)數(shù)】5頁(yè)(P650-654)【關(guān)鍵詞】移相全橋變換器;零電壓開(kāi)關(guān);參數(shù)設(shè)計(jì);工程計(jì)算【作者】史永勝;劉言新;王喜鋒;周鵬【作者單位】陜西科技大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，西安710021;陜西科技大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，西安710021;陜西科技大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，西安710021;陜西科技大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，西安710021【正文語(yǔ)種】中文【中圖分類】TM46移相全橋ZVS變換器利用變壓器及輔助電感和開(kāi)關(guān)管的寄生電容發(fā)生諧振，能使功率開(kāi)關(guān)管工作在軟開(kāi)關(guān)狀態(tài)，極大地減小了開(kāi)關(guān)損耗，提高了轉(zhuǎn)換效率。目前大部分文獻(xiàn)都側(cè)重于研究移相全橋ZVS變換器的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)改善其不足，文獻(xiàn)［1］在傳統(tǒng)全橋拓?fù)渖霞尤肓擞筛行栽碗娙萁M成的無(wú)源輔助網(wǎng)絡(luò)，在寬輸入電壓和整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)原邊開(kāi)關(guān)管的ZVS;文獻(xiàn)［2］以低成本，設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)單同時(shí)又能滿足系統(tǒng)性能的一種帶簡(jiǎn)單的LC輔助諧振電路的變換器拓?fù)?；文獻(xiàn)［3］通過(guò)在滯后臂并聯(lián)無(wú)源輔助支路提供軟開(kāi)關(guān)輔助電流，從而使變換器可以在寬負(fù)載范圍實(shí)現(xiàn)滯后管的ZVS;文獻(xiàn)［4］采用飽和電感對(duì)電路進(jìn)行改進(jìn)，并設(shè)計(jì)出一套完整的電路參數(shù)計(jì)算方法，對(duì)電路各重要參數(shù)進(jìn)行了分析設(shè)計(jì)與計(jì)算。以往沒(méi)有較為系統(tǒng)的針對(duì)電路各器件參數(shù)的計(jì)算方法，實(shí)際上移相全橋ZVS變換器的電路參數(shù)對(duì)系統(tǒng)影響很大，不容易設(shè)計(jì)。本文在傳統(tǒng)的移相全橋ZVS變換器的基礎(chǔ)之上進(jìn)行了優(yōu)化，并對(duì)電路的重要參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)，制作了一臺(tái)48V/1kW,50kHz的樣機(jī)，從而驗(yàn)證了參數(shù)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性與可行性。移相全橋ZVS變換器拓?fù)淙鐖D1所示，利用開(kāi)關(guān)管的寄生電容和高頻變壓器的漏電感或原邊串聯(lián)電感作為諧振元件，使開(kāi)關(guān)管能進(jìn)行零電壓開(kāi)通和關(guān)斷，從而有效地降低了電路的開(kāi)關(guān)損耗和開(kāi)關(guān)噪聲，減少了器件開(kāi)關(guān)過(guò)程中產(chǎn)生的電磁干擾，為變換器提高開(kāi)關(guān)頻率、提高效率、減小尺寸及減輕質(zhì)量提供了良好的條件。本文所設(shè)計(jì)的變換器主電路結(jié)構(gòu)如圖2所示，采用飽和電感做諧振電感來(lái)增大零電壓范圍及減小副邊占空比丟失，增加二極管鉗位電路來(lái)抑制副邊寄生震蕩，加入隔直電容來(lái)防止變壓器磁飽和。本文設(shè)計(jì)的技術(shù)指標(biāo)如下：輸入電壓：Vin=380V~420V;輸出額定功率：PO=1kW;輸出直流電壓：VO=48V;輸出電壓紋波：小于2%;效率：不低于85%；工作頻率：fs=50kHz。2.1諧振電感的設(shè)計(jì)由于變壓器的漏感一般比較小，當(dāng)變換器的負(fù)載比較小時(shí)，僅僅利用變壓器的漏感實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)關(guān)比較困難，特別是滯后橋臂的零電壓開(kāi)關(guān)范圍更小。因此為了擴(kuò)大滯后橋臂零開(kāi)關(guān)范圍，需要在變壓器原邊串聯(lián)一個(gè)比較大的電感，稱之為諧振電感，要想實(shí)現(xiàn)滯后橋臂的零電壓開(kāi)關(guān)，需要滿足下式［5］：式中：I為滯后臂MOS管關(guān)斷時(shí)變壓器原邊的電流；COSS為MOS管的漏源寄生電容。諧振電感的設(shè)計(jì)應(yīng)該考慮以下幾個(gè)方面：(1)為了在任何輸入電壓下滯后橋臂都能實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)關(guān)，輸入電壓Vin應(yīng)取最大值Vin(max);(2)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)保證在30%負(fù)載及以上時(shí)能實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)關(guān)。在30%負(fù)載時(shí)，當(dāng)滯后橋臂的MOS開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)，變壓器的原邊電流為：式中：K為高頻變壓器的變比，其中K的取值詳見(jiàn)2.4.1。本文選用的開(kāi)關(guān)管IPW65R080CFD的漏源寄生電容為COSS=215pF,Vin(max)為420V，根據(jù)式(1)可得：Lr=42"。2.2開(kāi)關(guān)頻率的選擇當(dāng)確定了諧振電感的大小以后，可以計(jì)算副邊占空比丟失的最大值Dloss(max),副邊占空比丟失由下式進(jìn)行計(jì)算［6］:式中：fs為開(kāi)關(guān)頻率。根據(jù)式(3)，當(dāng)負(fù)載電流最大，同時(shí)輸入電壓最小時(shí)，副邊占空比損失最大，則最大占空比損失為：計(jì)算高頻變壓器的變比K時(shí)，取變壓器的副邊占空比的最大值為0.8，也就是Dloss(max)<1-0.8=0.2，則由式(4)計(jì)算可得：fs<82kHz。實(shí)際中，為了減小開(kāi)關(guān)電源的重量與體積，在設(shè)計(jì)電源時(shí)，總是希望開(kāi)關(guān)電源的頻率越高越好，但是移相全橋ZVS變換器的副邊存在占空比丟失，當(dāng)諧振電感和變壓器的變比確定后，占空比丟失隨著開(kāi)關(guān)頻率的提高而增大。同時(shí)為了減少占空比損失的增加，并且使輸出電壓穩(wěn)定，就需要減小變壓器的變比，這樣會(huì)增大變壓器原邊的電流，這樣會(huì)造成更大的占空比丟失，因此不能無(wú)限制的增加開(kāi)關(guān)頻率。高頻變壓器的磁芯一般選的是鐵氧體，磁芯損耗隨著開(kāi)關(guān)頻率的提高而迅速增加，其損耗與開(kāi)關(guān)頻率的1.7次方成正比［7］。因此，綜合考慮以上因素，開(kāi)關(guān)頻率的取值選為50kHz。2.3隔直電容的選取—般情況下，選取隔直電容Cb的時(shí)候要使隔直電容兩端電壓峰值為輸入電壓的5%~10%［8］，由于輸入電壓額定值為400V，所以隔直電容兩端的電壓峰值應(yīng)取為20V~40V的范圍內(nèi)，在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期中，電容滿足電荷守恒，可得式(5)：假定隔直電容兩端電壓峰值為30V，原邊占空比為0.9，則為電容充電時(shí)間為：高頻變壓器原邊電流為：把以上參數(shù)代入式（5），則有：留有一定裕量，選取2.2pF/100V電容。2.4高頻變壓器設(shè)計(jì)2.4.1確定變壓器變比為了降低變壓器的損耗以及成本，減小MOS管的電流，減小整流二極管的反向耐壓，提高變壓器使用率，盡量把高頻變壓器的變比設(shè)計(jì)的大些。為了能夠在任何時(shí)候都能得到所設(shè)計(jì)的電壓，因此高頻變換器的變比應(yīng)按照最小的輸入電壓進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)副邊的最大占空比為Ds（max），由此可以計(jì)算出副邊最小電壓為：式中：VO為輸出直流電壓值；VD為整流二極管的導(dǎo)通壓降；VLf為輸出濾波電感上的壓降。本文輸出直流電壓值取為48V，輸出整流二極管采用Infineon公司的超快恢復(fù)二極管IDW40E65D1,其導(dǎo)通壓降為1.35V，輸出濾波電感上的壓降取為0.6V,由于變壓器的副邊占空比存在丟失，因此其值最大值可取為0.8，那么，由式（9）可得：最小輸入電壓為380V，則變壓器的變比為：為了繞制變壓器時(shí)方便和便于設(shè)計(jì)高頻變壓器，把變壓器的變比取為整數(shù)，因此變比取為6。2.4.2變壓器磁芯選取變壓器磁芯選取主要是利用AP算法，AP算法如式（12）所示：式中：AP為變壓器窗口面積AW乘以磁芯截面積Ae的乘積（cm4）;PT為變壓器視在功率（W）;BW為工作磁通密度（T）;fs為工作頻率（Hz）。依據(jù)計(jì)算出的AP值進(jìn)行高頻變壓器的選擇。由于變壓器原邊為方波輸入，因此波形系數(shù)選為Kf=4。工作磁通密度應(yīng)小于飽和磁通密度，并且留有一定的裕量，因此把工作磁通密度選為0.15T。本文高頻變壓器采用EE磁芯，電流密度比例系數(shù)為366,乂為-0.12。對(duì)于移相全橋變換器來(lái)講，由于副邊整流電路采用的是全波整流，把變壓器的效率設(shè)為nT,只有一個(gè)原邊繞組，同時(shí)副邊繞組帶有抽頭，那么便可以計(jì)算變壓器的視在功率為：根據(jù)以上參數(shù)的選擇，依據(jù)式（12）可得：留有一定的裕度，查磁芯參數(shù)列表，需求EE57磁芯，EE57磁芯的基本參數(shù)為：AP為9.7132cm4，磁芯截面積Ae為344mm2，窗口面積AW為282.36mm2。2.4.3確定變壓器原副邊匝數(shù)高頻變壓器的原邊匝數(shù)為NP匝，副邊匝數(shù)NS匝，當(dāng)原邊繞組加電壓V1時(shí)，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，則有：式中：fs為開(kāi)關(guān)工作頻率（Hz）;BW為工作磁通密度（T）;Ae為磁芯有效面積（m2）;Kf為波形系數(shù)，其值為有效值和平均值之比，正弦波為4.44，方波為4。則由式（15）可得：根據(jù)上面推導(dǎo)，由式（16）計(jì)算變壓器原邊匝數(shù)，要求在輸入電壓為最小值時(shí)也能滿足輸出電壓的要求，因此輸入電壓取為最小值：V1=Vin（min），則：取整，則變壓器原邊匝數(shù)取為35匝。那么，根據(jù)變壓器變比可得變壓器副邊繞組匝數(shù)為：則變壓器副邊匝數(shù)取為6匝。2.5輸出濾波電感的設(shè)計(jì)移相全橋ZVS變換器中，直流輸入電壓通過(guò)全橋逆變電路后逆變?yōu)榻涣鞣讲妷海缓蠼?jīng)過(guò)變壓器進(jìn)行降壓后進(jìn)行整流輸出。從輸出的濾波電感來(lái)看，全橋變換器可以等效為一個(gè)buck變換器，因此，可以參考buck變換器的設(shè)計(jì)方法對(duì)全橋變換器的輸出濾波電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。但是有一個(gè)地方需要改變，需將開(kāi)關(guān)頻率f改為2f。在設(shè)計(jì)移相全橋ZVS變換器時(shí)，輸出濾波電感的計(jì)算可以參考下面的公式[9]:式中：VO為輸出電壓；fs為輸出濾波電感頻率，取為2倍開(kāi)關(guān)頻率；I2com為輸出電流最大波動(dòng)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)一般取為10%最大輸出電流；Vi為輸入電壓；VL為輸出濾波電感壓降，取為0.6V；VD為輸出整流二極管壓降，取1.35V。代入?yún)?shù)，則有：則，選取輸出濾波電感為：Lf=20pHo2.6輸出濾波電容的設(shè)計(jì)副邊輸出濾波電容與變換器輸出紋波電壓峰峰值大小相關(guān)，一般情況下，副邊輸出濾波電容的大小可以由式(21)進(jìn)行計(jì)算[10]:式中：VO為輸出電壓；fs為輸出濾波電感頻率，取為2倍開(kāi)關(guān)頻率；AVopp為輸出電壓波動(dòng)，取為0.15V；Vi為輸入電壓；VL為輸出濾波電感壓降，取為0.6V；VD為輸出整流二極管壓降，取1.35V；L為輸出濾波電容。代入?yún)?shù)進(jìn)行計(jì)算，則有：留有一定的裕量，選取470pF/100V電容。按以上技術(shù)指標(biāo)及重要元件的設(shè)計(jì)參數(shù)，研制了樣機(jī)。圖3(a)、圖3(b)分別為滿載和30%負(fù)載時(shí)滯后橋臂MOS管柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)和漏源極電壓波形，可以看出，MOS管關(guān)斷時(shí)，其漏源電壓緩慢上升，MOS管開(kāi)通時(shí)，其漏源電壓已經(jīng)降為零，從而實(shí)現(xiàn)了零電壓開(kāi)關(guān)。圖3(c)為輸出電壓波形，平均值為48.02V,紋波如圖3(d)所示，可以看出，紋波小于2%，滿足設(shè)計(jì)要求。不同負(fù)載條件下，輸出電壓和轉(zhuǎn)換效率的測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示，可以看出，80%負(fù)載時(shí)效率為89%，為最大，在滿載的情況下效率為88%,30%負(fù)載時(shí)效率為74%。圖4為根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)所繪制的效率曲線圖。通過(guò)上述方法設(shè)計(jì)的主電路中重要元件的參數(shù)，可以滿足系統(tǒng)要求。所研制樣機(jī)能夠在30%及以上范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)關(guān)，輸出電壓穩(wěn)定，紋波小于2%，30%負(fù)載時(shí)效率達(dá)到74%，60%及以上負(fù)載時(shí)效率達(dá)到85%以上，從而驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方法的可行性及有效性。史永勝(1964-)，男，漢族，陜西西安人，陜西科技大學(xué)電信學(xué)院教授、博士，主要研究方向?yàn)樘胤N電源與先進(jìn)光電器件，.cn ；劉言新(1991-)，男，漢族，山東鄆城人，陜西科技大學(xué)電信學(xué)院在讀碩士研究生，主要研究方向?yàn)樘胤N電源與先進(jìn)光電器件， 。【相關(guān)文獻(xiàn)】[1]陳仲，陳淼，季鋒，等.一種采用新型無(wú)源輔助網(wǎng)絡(luò)的ZVS全橋變換器[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2012,27(11):146-152.[2]宋云慶，徐申，吳建輝.一種帶輔助電路的全橋移相ZVS變換器拓?fù)涞脑O(shè)計(jì)[J].電子器件，2008,31(2):619-622.[3]陳仲，陳淼，羅穎鵬，等.滯后臂并聯(lián)輔助網(wǎng)絡(luò)的新型ZVS全橋變換器[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2011,31(27):56-61.[4]馬昆林，閆昌盛.帶飽和電感的移相控制ZVS全橋變換器研究[J].計(jì)算機(jī)仿真，2014,31(7):229-233.[5]洪波.全數(shù)字控制DC/DC變換器[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2008.[6]MishimaT,AkamatsuK,NakaokaM.AHighFrequency-LinkSecondarySidePhase-ShiftedFull-RangeSoft-SwitchingPWMDC-DCConverterwithZCSActiveRectifierforEVBatteryChargers[J].IEEETransPowerElectron,2012,28(12):5758-5773.[7]GautamDS,MusaviF,EberleW,etal.AZero-VoltageSwitchingFull-BridgeDCDCConverterWithCapacitiveOutputFilterforPlug-InHybridElectricVehicleBatteryCharging[J].IEEETrans.PowerElectron,2012,28(12):5728-5735.[8]RathoreA