推挽正激軟開關(guān)電路的實(shí)現(xiàn)與比較

1　引言

　　功率變換器的軟開關(guān)技術(shù)在當(dāng)今電源領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。它不僅可以提高變換器的可靠性和開關(guān)頻率，而且可以減小體積和重量，降低開關(guān)過(guò)程中的通態(tài)損耗，提高整機(jī)效率。應(yīng)用于推挽正激電路[1,2]的軟開關(guān)電路拓?fù)渫ǔＪ强紤]在其整流橋之后增加一輔助諧振網(wǎng)絡(luò)，利用諧振電容上的電壓來(lái)封鎖整流橋，從而達(dá)到零電流關(guān)斷主管的目的。圖1給出了不同諧振網(wǎng)絡(luò)下的軟開關(guān)方案：
　　諧振網(wǎng)絡(luò)（a）：利用變壓器副邊漏感和諧振電容組成諧振支路，諧振電感位于主功率回路中，構(gòu)成ZCS方案[3]；
　　諧振網(wǎng)絡(luò)（b）：增加兩個(gè)單向?qū)ǘO管D5、D6，把諧振電感Lr移出主回路，構(gòu)成ZCT方案[4]。
　　諧振網(wǎng)絡(luò)（c）：在變壓器的副邊增加一個(gè)輔助繞組和整流橋，與諧振電感、諧振電容組成一個(gè)獨(dú)立的諧振網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)成變壓器輔助繞組方案[5]。
　　文獻(xiàn)[3-5]對(duì)諧振網(wǎng)絡(luò)及其參數(shù)的取值大小沒有詳加分析。本文從能量的角度確立了理論依據(jù)并根據(jù)諧振感值大小的差異引出了不同諧振模式的分析探討。

2　簡(jiǎn)要的工作模態(tài)分析

　　在簡(jiǎn)要分析電路工作原理之前假設(shè)所有元件均為理想器件，則Lf、Cf、RL可以看成一個(gè)電流為Io的電流源。
　　圖1中，Vin為直流輸入電壓, Lr為諧振電感,Cr為諧振電容,為功率變壓器副邊等效漏感，主變壓器原、副邊變比K=NS/N1，變壓器輔助繞組與變壓器原邊的變比n=Nf/N1。圖2給出了簡(jiǎn)要的工作原理波形。

圖1　推挽正激軟開關(guān)諧振網(wǎng)絡(luò)電路拓?fù)鋄(a)—(c)]
　　[1]t0-t1：在t0時(shí)刻前，S1、S2均關(guān)斷，漏感平均電流Iav[6]在原邊環(huán)流，負(fù)載電流通過(guò)整流橋[D1—D4]續(xù)流。此時(shí)，諧振電感電流和諧振電容電壓為零。t0時(shí)刻S1開通，副邊電壓KVin加
　　在副邊繞組上，電流從0開始線性上升。同時(shí)，D1、D3電流開始線性上升，D2、D4電流下降。t1時(shí)刻，ID1=ID3上升到Io。
　　[2]t1-t4：在此時(shí)間段內(nèi) ，根據(jù)諧振網(wǎng)絡(luò)的不同，工作模態(tài)不盡相同。
　　諧振網(wǎng)絡(luò)（a）： t1時(shí)刻，Da自然導(dǎo)通，L 和Cr開始諧振。由于漏感較小，經(jīng)過(guò)Tr/2, t2時(shí)刻Da反向截止，VCr為2KVin保持不變。t3時(shí)刻,開通Sa，和Cr繼續(xù)被打斷的諧振過(guò)程。t4時(shí)刻，減小至零，D1、D3零電流關(guān)斷，減小了反向恢復(fù)，副邊電流減小至零。此時(shí)原邊只有漏感平均電流Iav和勵(lì)磁電流在輸入電源—N1—C—N2構(gòu)成的回路中環(huán)流，開關(guān)管中電流為零。t4時(shí)刻以后，S1可以零電流關(guān)斷。
　　諧振網(wǎng)絡(luò)（b）和（c）：工作過(guò)程與（a）類似。（a）和（b）的諧振激勵(lì)源電壓為 KVin；（c）則為nVin。根據(jù)諧振電感值大小的不同，工作模態(tài)還稍有變化。（詳細(xì)分析見4）
[3]t4-t6：t4時(shí)刻開始諧振電容放電提供全部的負(fù)載電流，電容電壓為Vcr*（見表1）：t5時(shí)刻，可以零電流關(guān)斷S1；t6時(shí)刻，電容電壓減小到0。若電容值太大，諧振電容電壓在輔管關(guān)斷時(shí)則不能放至零（詳細(xì)分析見4）

表1　不同諧振網(wǎng)絡(luò)方案下t4時(shí)刻諧振電容電壓表達(dá)式

　　[4]t6-t8：t6時(shí)刻，負(fù)載電流Io通過(guò)整流橋（D1—D4）續(xù)流，t7時(shí)刻，可以零電壓/零電流關(guān)斷輔助開關(guān)管Sa。t8時(shí)刻，零電流開通主開關(guān)管S2，開始下半個(gè)開關(guān)周期。

圖2 簡(jiǎn)要的工作原理圖

3　軟開關(guān)的實(shí)現(xiàn)條件

　　由以上分析可知：只要在輔管開通到主管關(guān)斷（定義為=t5-t3）時(shí)，滿足
VCr≥KVin　　（1）
　　就能實(shí)現(xiàn)對(duì)副邊整流橋（D1—D4）的箝位，封鎖整流橋，實(shí)現(xiàn)主功率管的零電流關(guān)斷。

4　諧振網(wǎng)絡(luò)的分析與參數(shù)設(shè)計(jì)

　　前面所提三種軟開關(guān)方案的基本原理是一致的卻稍有不同：根據(jù)電感是否處于主功率回路可分為ZCS和ZCT兩種方式；根據(jù)電感取值的大小，則可以分成兩種諧振工作模式。下面就各諧振網(wǎng)絡(luò)分別進(jìn)行具體分析。

4.1關(guān)于兩種諧振工作模式的討論

　　根據(jù)電感取值的大小，可以形成兩種諧振模式：感值較小時(shí)，諧振周期相對(duì)開關(guān)周期較小，在Da的作用下，電感電流減至零后反向截止，實(shí)質(zhì)為半波諧振工作模式；感值很大時(shí)，諧振周期tr>DTs-△Tf,至輔管開通時(shí)電感電流還未到零。此種模式下，諧振網(wǎng)絡(luò)內(nèi)環(huán)流較小，諧振電容電壓VCr2KVin,暫且定義為大電感諧振工作模式；兩者臨界狀態(tài)為
tr= Tr/2=DminTs-△Tf　　（2）。

4.2諧振網(wǎng)絡(luò)損耗分析

　　在分析諧振網(wǎng)絡(luò)損耗之前，做出如下假設(shè)：
　　諧振網(wǎng)絡(luò)為典型串聯(lián)諧振模型，激勵(lì)源電壓為KVin；Lr、Cr為理想無(wú)損元件；網(wǎng)絡(luò)內(nèi)寄生電阻和二極管體電阻設(shè)為Rloss。則諧振電感電流：

　　　　　　　（3）
　　諧振電容電壓：

　　　　　（4）
　　其中：
　　則諧振網(wǎng)絡(luò)損耗為：

=

　　　　（5）
　　tr∈(Tr/4,Tr/2)從前面的式子可以看出在Lr盡可能大的情況下, Cr為取值較小時(shí)，諧振網(wǎng)絡(luò)環(huán)流和損耗較小。
　　為使諧振網(wǎng)絡(luò)在主功率管開通時(shí)間內(nèi)儲(chǔ)存能量，輻管實(shí)現(xiàn)零電流容性開通，ZCZVS關(guān)斷。
則諧振網(wǎng)絡(luò)必須工作于兩種工作模式的臨界狀態(tài)為最佳：即在DminTs-△Tf時(shí)間內(nèi)，LC網(wǎng)絡(luò)諧振，使得諧振結(jié)束時(shí)VCr達(dá)到2KVin。

4.3　諧振電容的選取

　　諧振電容取值推導(dǎo)以諧振網(wǎng)絡(luò)（c）為例：諧振電容Cr的選取由放電時(shí)間和輸出負(fù)載決定。當(dāng)主管關(guān)斷時(shí)必須滿足公式（1）則：

　　　 （6）
　　為保證軟開關(guān)的實(shí)現(xiàn)，須滿足：

　　　　　　　　　　　（7）
　　△t為諧振電容至放電至的時(shí)間，為輔管開通到主管關(guān)斷時(shí)間=t5-t3。
　　由此可得出：

　　　　　 （8）
　　與此同時(shí)，當(dāng)輔管關(guān)斷時(shí)，Cr上的電壓要能放至零,保證輔管實(shí)現(xiàn)零電壓/零電流關(guān)斷。放電時(shí)間（即輔管導(dǎo)通時(shí)間為Tf）：

　　　　　　　　（9）
　　且　　　　　　　　　（10）
　　則得：　（11）
　　又因?yàn)橛晒剑?）可知：

　　　　　　　　 （12）
　　且　　　　　　　　（13）
　　　　　　　　　　　 （14）
　　通常取　　　　　　　　（15）
　　當(dāng)D=Dmax時(shí)式（11）有最小值。
　　綜上可以得到諧振電容的選取公式：

（16）
　　其中：是最大負(fù)載電流，是最大輸出功率，是主管開關(guān)頻率，是輸出額定電壓。的調(diào)節(jié)范圍為：
　　　　[0，]
　　根據(jù)諧振電容上的電荷平衡，可得

　（17）
　　當(dāng)為臨界工作模式時(shí)，將（2）式代入上式，可得：滿足式（10）。
　　①I0過(guò)小即輕載時(shí)，假設(shè)Tf、Cr不變由（9）（10）可知：當(dāng)時(shí)，電容電壓不能放至零。
　　②Cr太大，I0一定時(shí)，為滿足式（17）Tf就要延長(zhǎng)時(shí)，電容電壓也不能放至零，輔管失去ZCZVS關(guān)斷的條件。

4.4　諧振電感的選取

　　由分析可知：工作在臨界狀態(tài)時(shí)，確定諧振電容值Cr和△Tf后，Lr就由（2）式?jīng)Q定。在此種方式下諧振環(huán)流、損耗最小，且輔管為ZCZVS關(guān)斷。

4.5　諧振網(wǎng)絡(luò)各自的特點(diǎn)

　　A、諧振網(wǎng)絡(luò)（a）構(gòu)成的ZCS方案：
　　拓?fù)浜?jiǎn)潔，但由于變壓器副邊漏感較小，副邊整流橋的電流應(yīng)力較大，從而導(dǎo)致原邊電流在主功率管導(dǎo)通時(shí)有一電流上沖，電流應(yīng)力大；電壓應(yīng)力為2KVin，造成的損耗較大。
　　B、 諧振網(wǎng)絡(luò)（b）構(gòu)成的ZCT方案：
　　拓?fù)漭^簡(jiǎn)潔，Lr實(shí)現(xiàn)了可調(diào)，與ZCS不同的是它有兩種諧振工作模式。根據(jù)4.2中的結(jié)論，使諧振網(wǎng)絡(luò)工作在臨界諧振模式時(shí)，諧振回路的環(huán)流大大減小，使得變壓器原副邊電流在主功率管導(dǎo)通時(shí)上升平緩，導(dǎo)通時(shí)的電流應(yīng)力大為減小；但電壓應(yīng)力沒有得到改善。
　　C、諧振網(wǎng)絡(luò)（C）構(gòu)成的輔助繞組方案：
與(a)(b)相比，它的優(yōu)勢(shì)在于可以通過(guò)改變變壓器匝比，調(diào)節(jié)諧振參數(shù)來(lái)達(dá)到減小電壓應(yīng)力和電流應(yīng)力的目的。降低了變壓器原邊電流，整流管的電壓、電流應(yīng)力，但新增加的輔助整流橋卻帶來(lái)了較大的損耗，拓?fù)湟脖容^復(fù)雜。

5　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　根據(jù)以上分析設(shè)計(jì)了三套軟開關(guān)諧振網(wǎng)絡(luò)并研制了一臺(tái)24—30V輸入/76V輸出的1KW原理樣機(jī)。主管S1、S2：IXFK180N10；輔管Sa：IRFP460LC；主變壓器：雙EE42磁心（K=4，n=3）；整流管：DSEI30-06A。諧振網(wǎng)絡(luò)參數(shù)均設(shè)計(jì)在兩種諧振模式臨界條件下。（表1給出了各方案下的諧振參數(shù)與性能指標(biāo)）圖3給出了ZCT方案、27V輸入下的實(shí)驗(yàn)波形。從實(shí)驗(yàn)波形可看出：諧振電感電流較小，有效值不到1A,輔管為ZCZVS關(guān)斷；圖4為三種不同諧振網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下的效率對(duì)比曲線：在ZCS下，諧振網(wǎng)絡(luò)的損耗較大，而ZCT和輔助繞組方案下，諧振網(wǎng)絡(luò)損耗較小；采用ZCT方案特別是在滿載情況下效率要比ZCS方案來(lái)得高；而輔助繞組方案元器件較多，電路復(fù)雜，寄生參數(shù)較多，同時(shí)又增加了變壓器的銅耗，實(shí)驗(yàn)效率較低。

表2 不同諧振網(wǎng)絡(luò)軟開關(guān)電路拓?fù)湫阅軈?shù)表

圖3　ZCT臨界諧振工作模式下的實(shí)驗(yàn)波形

圖4　27V輸入不同諧振網(wǎng)絡(luò)軟開關(guān)電路效率對(duì)比曲線

6　結(jié)論

　　通過(guò)理論分析、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可以得出如下結(jié)論：
　　1、ZCS方案實(shí)質(zhì)上是ZCT方案在TrTs下的一個(gè)特殊情形；
　　2、當(dāng)諧振網(wǎng)絡(luò)參數(shù)滿足兩種諧振模式的臨界條件時(shí)，諧振環(huán)流，諧振網(wǎng)絡(luò)損耗較小，輔管為容性開通，ZCZVS關(guān)斷；
　　3、綜合三種諧振網(wǎng)絡(luò)分析、實(shí)驗(yàn)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)： ZCT方案較具有吸引力，其拓?fù)浜?jiǎn)潔，實(shí)現(xiàn)容易且滿載下效率較高，為91.47%。

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