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移相控制ZVSPWM全桥变换器的直通问题分析

发布时间:2020-07-21 17:15:15 阅读: 来源:酒架厂家

1 引言在计算机、通信、航空航天等许多领域,开关电源以其体积小、重量轻、效率高等优点逐步取代了传统的线性电源。移相全桥零电压开关PWM变换器结合了零电压开关准谐振技术和传统PWM技术两者的优点,工作频率固定,在换相过程中利用LC谐振使器件零电压开关,其控制简单、开关损耗小、可靠性高,已经普遍的应用在中大功率应用场合中,但这种变换器普遍存在着桥臂直通问题,本文分析了桥臂直通问题产生的一个容易被忽略的原因,并且提出了解决方案。

2 移相控制ZVS PWM全桥变换器直通问题分析

全桥变换器的电路结构如图1所示,其中,D1~D4分别是开关管VT1~VT4的内部寄生二极管,C1~C4分别是开关管VT1~VT4的内部寄生电容或外接电容。Lr是谐振电感,它包括了变压器的漏感。每个桥臂的两个功率管成180°互补导通,两个桥臂的导通角相差一个相位,即相位角,通过调节移相角的大小来调节输出电压。VT1和VT3分别超前于VT2和VT4一个相位,称VT1和VT3组成的桥臂为超前桥臂,VT2和VT4组成的桥臂为滞后桥臂。

图1移相控制ZVS PWM DC/DC全桥变换器的主电路

对于全桥变换器的ZVS移相控制方式超前臂的ZVS实现较为容易,滞后臂的ZVS较为困难。全桥电路在一个周期内的整个工作过程请参考文献[1]。本文仅对实际设计时所遇到的问题做详细的分析。问题产生的原因是超前桥臂和滞后桥臂的工作机理不同,在超前桥臂开关管开关的过程中,输出滤波电感是参与能量的转换,相当于恒流源,而滞后桥臂开关管开关的过程中,变压器处于短路状态,因此参与谐振的能量很小,导致失去零压条件。当滞后臂的开关管VT4关断后,C4电压增加,VAB=-VC4,VAB为负电压,使DR2也导通,将变压器付边短接,变压器原边电压为零,VAB电压全部加在漏感和谐振电感上,使原边电流ip减少。如果漏感和谐振电感的能量较少,就会出现C4的电压还没有增加到Vin,原边电流就已减少到零,C4的电压就会使原边电流反方向增加,而且C4的电压也会下降,同时C2的电压就会开始增加。VT2开通时,C2的电压不为零,VT2就不能实现零电压开通,而是硬开通。当VT2开通时,C4的电压已经下降为零,其体二极管D4已经导通,C2的电压为Vin,VT2不仅是硬开通,而且桥臂直通。

图2为变压器中点电压波形,由图可知变压器零电平一段有一个小凸起,没有真正为零。这个小凸起是由于滞后臂开关管硬开通引起的。通过观察滞后臂开关管VT4的G、S和D、S波形,可清晰地观察到上述所遇到的现象。由图3知,凸起是在开关管VT4关断后产生的,当滞后臂开关管关断后,原边电流ip给电容C4充电,电容两端的电压上升,但由于谐振电感和漏感的能量较小,经过一段时间,电流反向,C4两端电压上升一段时间后又下降。由滞后臂VT4开关管的D、S和电流波形可以验证以上的分析。图中平台的小凸起对应着中点电压的凸起,验证了产生的原因为滞后桥臂的硬开关造成的。

由图4可以看出:在D、S电压凸起由零到顶点的过程,原边电流ip刚好下降为零;在D、S电压凸起由顶点到零的过程,电流刚好反向最大,体二极管导通,D、S电压箝位为零,同样可以验证上述分析的结果。

由于滞后桥臂没有实现零压开通,不仅导致了效率的下降,更加严重的问题是桥臂直通。图5分别为同一桥臂两个开关管的D、S电压和电流波形,可以看到:在开关管VT4的体二极管还正在反向恢复时,开关管VT2已经开通,则两个开关管存在直通的可能性。输入电压全部加在功率管上,将导致炸机。

图5滞后臂开关管VT2的D、S电压和VT4的电流波形

3 防止直通问题的解决方案及实验结果

由以上分析可知:凸起是由于开关管VT4关断后产生的,谐振电感和漏感的能量较小,原边电流iF电流反向引起的,因此加大这部分谐振能量或者防止电流反向是解决此问题的方向。

⑴增大谐振电感,加大负载,使满足零压开通条件。

图6滞后臂VT4的D、S电压电流波形(增大谐振电感,加大负载)

如图所示,增大谐振电感,加大负载后开关管的D、S电压波形和电流波形,大家可以看到,开关管关断后,电流能量较大,没有反向,电压凸起消失。

⑵在原边增加辅助谐振网络

为给滞后桥臂增加的辅助网络的原理图,图中Ca1和Ca2为电解电容,L1为辅助谐振电感,用此网络来增加谐振能量,此网络与负载无关,因此可以实现全程零压开通,并且参数容易设计。从图中可以看出小凸起同样消失。

⑶用饱和电感替代传统的线性电感。利用饱和电感在饱和状态呈现高阻的性质来防止电流反向。饱和电感详细的工作原理。

4 结论

由上述分析得知,全桥电路的直通问题是典型问题,因此防止直通就成为全桥电路稳定的重要方面。因此在设计电路参数时,只要保证在轻载时同一桥臂开关管不直通即可,即在开关管D、S的电压还没有降到零,则体二极管不会导通,此时同一桥臂的另外一个开关管导通,没有直通。根据以上的分析,已经成功的利用移相全桥电路应用在相关的产品中,使全桥电路得到了广泛的应用。

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