摘要：提出一種新型的軟開(kāi)關(guān)電路拓?fù)洌ㄟ^(guò)仿真分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了變換器的零壓零流開(kāi)關(guān)特性，降低了開(kāi)關(guān)損耗，并已應(yīng)用于通信開(kāi)關(guān)電源。

關(guān)鍵詞：變換器零壓零流開(kāi)關(guān)仿真

1引言

目前，具有諧振軟開(kāi)關(guān)和PWM控制特點(diǎn)的，相移全橋零電壓PWM(FBZVSPWM)變換器得到了廣泛應(yīng)用，由于功率開(kāi)關(guān)器件實(shí)現(xiàn)了零電壓開(kāi)關(guān)，從而減小了開(kāi)關(guān)損耗，提高了電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性。但是，F(xiàn)BZVSPWM變換器仍然存在占空比丟失嚴(yán)重、環(huán)路導(dǎo)通損耗大等缺點(diǎn)。為此，在以上研究的基礎(chǔ)之上，本文提出了一種新型的零電壓零電流拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，改善了器件的運(yùn)行狀態(tài)，通過(guò)仿真分析和試驗(yàn)研究，實(shí)現(xiàn)了變換器的零壓零流開(kāi)關(guān)特性，并已成功用于通信開(kāi)關(guān)電源。

2工作原理

相移全橋零壓零流PWM(FBZVZCSPWM)逆變電路的結(jié)構(gòu)如圖1所示。S1～S4為功率開(kāi)關(guān)器件，D1～D4為器件自身反并二極管，D5和D6為阻斷二極管，C1～C2為S1和S2的旁路電容，Cb為隔直電容。零壓零流逆變電路的相關(guān)波形如圖2所示。

　　在零壓零流軟開(kāi)關(guān)逆變電路的工作過(guò)程中，半個(gè)周期有六種工作模式，如圖3所示。具體工作過(guò)程如下：

圖1零壓零流逆變電路原理圖

圖2零壓零流逆變電路相關(guān)波形

Mode1:

　　[t0～t1]期間，S1、S4導(dǎo)通，uAB=Ui，變壓器T向次級(jí)傳遞能量，隔直電容Cb電壓線性上升。

Mode2:

　　[t1～t2]期間，S1關(guān)斷，S4仍然導(dǎo)通，S1兩端并聯(lián)電容C1充電至Ui,S2兩端并聯(lián)電容放電至零時(shí)，S2的反并聯(lián)二極管D2導(dǎo)通，若S2隨后導(dǎo)通，即為零電壓導(dǎo)通。

Mode3:

　　[t2～t3]期間，S1、S4導(dǎo)通，uAB=0，隔直電容Cb電壓全部加在變壓器T漏感上，初級(jí)電流線性下降至零。

Mode4:

(a)Model(t0～t1)

(b)Mode2(t1～t2)

(c)Mode3(t2～t3)

(d)Mode4(t3～t4)

(e)Mode5(t4～t5)

(f)Mode6(t5～t6)

圖3零壓零流逆變電路工作模式分析示意圖

　　[t3～t4]期間，S2、S4導(dǎo)通，阻斷二極管D6阻止初級(jí)電流反向流動(dòng)，變壓器初級(jí)無(wú)電流流過(guò)，仍將保持為零。

Mode5:

　　[t4～t5]期間，S4關(guān)斷，S2導(dǎo)通。由于初級(jí)無(wú)電流流過(guò)，S4的關(guān)斷為零電流關(guān)斷，電路處于開(kāi)路狀態(tài)。

Mode6:

　　[t5～t6]期間，S2、S3導(dǎo)通，初級(jí)電流瞬時(shí)仍保持為零。隨后，初級(jí)電流增大，隔直電容電壓線性下降，變壓器初級(jí)向次級(jí)傳遞能量。

3電路特點(diǎn)

零壓零流軟開(kāi)關(guān)逆變電路利用了與滯后臂串聯(lián)阻斷二極管的阻斷工作特性，可以在寬負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)超前臂功率器件的零電壓開(kāi)關(guān)和延遲臂功率器件的零電流開(kāi)關(guān)。

31超前臂功率器件的零電壓開(kāi)關(guān)

　　與零壓軟開(kāi)關(guān)逆變電路一樣，零壓零流軟開(kāi)關(guān)逆變電路超前臂功率器件的零電壓開(kāi)通可通過(guò)輸出濾波電感中的能量來(lái)實(shí)現(xiàn)，其軟開(kāi)關(guān)程度主要取決于旁路電容和原邊電流。

　　旁路電容充放電時(shí)間為：

式中：Ui——輸入直流電壓；

　　C——超前臂功率器件旁路電容量；

　　Ip——初級(jí)電流，類似一個(gè)恒流源。

　　功率器件開(kāi)通時(shí)，變壓器初級(jí)電流已通過(guò)器件反并二極管流動(dòng)，集射極間電壓為零。若旁路電容量較大，電路不僅可以在寬負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)零電壓導(dǎo)通，而且可減小IGBT的關(guān)斷損耗。

32延遲臂功率器件的零流開(kāi)關(guān)

　　在續(xù)流階段，變壓器初級(jí)電流保持為零，延遲臂功率器件的開(kāi)通和關(guān)斷都將在零電流條件下完成的，減小了IGBT的開(kāi)關(guān)損耗。如果延遲臂實(shí)現(xiàn)零電流開(kāi)關(guān)，初級(jí)電流必須在延遲臂關(guān)斷之前從負(fù)載電流減小為零，并在此后保持為零。

初級(jí)電流從負(fù)載電流降低為零的時(shí)間為：式中：Llk——主變壓器漏感量；

　　Cb——隔直電容量；

　　D——占空比；

　　Ts——開(kāi)關(guān)周期。

　　從上式可以看出，電流下降時(shí)間與負(fù)載無(wú)關(guān)，因此，如果開(kāi)關(guān)時(shí)間設(shè)置合適，延遲臂可以在任意負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)零電流開(kāi)關(guān)。

4試驗(yàn)研究

采用FBZVZCSPWM變換器，成功研制出大功率通信開(kāi)關(guān)電源。具體技術(shù)參數(shù)如下：

　　輸入電壓：三相380V

　　開(kāi)關(guān)頻率：25kHz

　　輸出功率：≥3kW

　　效率：≥92％

　　超前臂功率器件的電流波形和集射極間電壓波形、延遲臂功率器件的電流波形和集射極間電壓波形、變壓器初級(jí)電流波形和逆變電路中點(diǎn)電壓波形如圖4所示，其中，(a)(c)(e)為仿真波形，(b)(d)(f)為試驗(yàn)波形。

5結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上分析和試驗(yàn)研究，得出以下結(jié)論：

　?。?）FBZVZCSPWM逆變電路可在寬負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)超前臂功率器件的零電壓和延遲臂功率器件的零電流開(kāi)關(guān)；

　?。?）續(xù)流階段，變壓器初級(jí)電流為零，有效降低了環(huán)路損耗；

　?。?）與FBZVSPWM逆變電路相比，效率明顯提高。