《電子技術(shù)應(yīng)用》
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軟開關(guān)半橋DC/DC變換器的PWM控制策略分析
摘要: 文章根據(jù)控制型軟開關(guān)半橋DC/DC變換器的定義,總結(jié)和歸納了4種控制型軟開關(guān)半橋DC/DC變換器的PWM控制策略和緩沖型軟開關(guān)半橋DC/DC變換器對(duì)稱PWM控制策略。對(duì)上述PWM控制策略進(jìn)行了深入分析和綜合比較,為選擇具體應(yīng)用場(chǎng)合提供了依據(jù)。
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  0 引 言

  半橋DC/DC變換器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,控制方便,非常適用于中小功率場(chǎng)合。硬開關(guān)變換器高頻時(shí)開關(guān)損耗很大,嚴(yán)重影響其效率。軟開關(guān)技術(shù)可降低開關(guān)損耗和線路的EMI,提高效率和功率密度,提高開關(guān)頻率從而減小變換器體積和重量。傳統(tǒng)半橋變換器有兩種控制方法,一種是對(duì)稱控制,一種是不對(duì)稱互補(bǔ)控制。本文主要分析實(shí)現(xiàn)半橋DC/DC變換器軟開關(guān)的PWM控制策略。

  1 控制型軟開關(guān)PWM 控制策略

  控制型軟開關(guān)半橋DC/DC變換器不增加主電路元器件(可增加電感電容元件以實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)條件),通過(guò)合理設(shè)計(jì)控制電路來(lái)實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)。圖1給出4種控制型軟開關(guān)半橋DC/DC變換器的PWM 控制策略。

 

圖1 控制型軟開關(guān)PWM 控制策略

  1.1 不對(duì)稱互補(bǔ)脈沖PWM 控制

  開關(guān)管的控制脈沖不對(duì)稱互補(bǔ),采用此控制策略的傳統(tǒng)不對(duì)稱半橋變換器已廣泛應(yīng)用于中小功率場(chǎng)合。其原邊開關(guān)管實(shí)現(xiàn)ZVS的方式有2種:負(fù)載電流ZVS方式和勵(lì)磁電流ZVS方式[1]。其優(yōu)點(diǎn)是:兩個(gè)開關(guān)管都可實(shí)現(xiàn)ZVS;一些可改善移相全橋變換器滯后臂軟開關(guān)條件的措施也可用于不對(duì)稱半橋變換器;不存在硬開關(guān)中的震蕩問(wèn)題;與移相全橋變換器相比,無(wú)循環(huán)能量。其缺點(diǎn)是:開關(guān)管電壓應(yīng)力和開關(guān)管軟開關(guān)條件不一致,上管較難實(shí)現(xiàn)軟開關(guān);整流管電壓應(yīng)力不一致,且隨占空比變化,一些應(yīng)用場(chǎng)合一個(gè)整流管電壓很高,器件較難選擇;輕載時(shí)會(huì)失去軟開關(guān)條件;變壓器直流偏磁,負(fù)載越重占空比越小,偏磁越嚴(yán)重;非常不適用于寬輸入或?qū)捿敵鲭妷旱膽?yīng)用場(chǎng)合。

  1.2 移相脈沖PWM 控制

  采用此控制策略的半橋也稱為雙有源半橋[2,3]。

  此控制策略與傳統(tǒng)的移相全橋拓?fù)漕愃疲瑓^(qū)別在于移相的兩個(gè)橋臂分布在變壓器的原副邊。此拓?fù)渲校儔浩鞯穆└惺侵虚g儲(chǔ)能元件。原副邊半橋各產(chǎn)生一個(gè)占空比為50%的方波,通過(guò)調(diào)節(jié)輸出兩個(gè)橋之間的移相來(lái)控制變壓器漏感的能量從而調(diào)節(jié)輸出電壓。此拓?fù)淇蓪?shí)現(xiàn)全負(fù)載范圍的軟開關(guān),同時(shí)輸出又能獲得同步整流。其缺點(diǎn)是:循環(huán)能量非常大,輸出電流紋波大。為了改善輸出電流紋波大的缺點(diǎn),移相ZVS半橋電路被提出[4]。

 

  1.3 脈沖移位PWM 控制

  文獻(xiàn)[5]提出脈沖移位PWM 控制策略。上管下降沿與下管前沿互補(bǔ),脈寬相同??蓪?shí)現(xiàn)下管的ZVS開通,上管仍然是硬開關(guān)。其優(yōu)點(diǎn)是:可減少部分開關(guān)損耗;變壓器不存在直流偏磁;整流管電壓應(yīng)力對(duì)稱;寬范圍輸入上優(yōu)于不對(duì)稱半橋。增加輔助電路可實(shí)現(xiàn)上管的ZVS[6]。

  1.4 不對(duì)稱脈沖PWM 控制

  文獻(xiàn)[7]提出不對(duì)稱脈沖PWM 控制,其下管下降沿與上管的前沿互補(bǔ),上管可實(shí)現(xiàn)ZVS.只要設(shè)計(jì)的占空比較小,無(wú)需其它措施即使工作在較高頻率下開關(guān)損耗也很小。變壓器直流偏磁,除占空比端點(diǎn)外,偏磁電流小于不對(duì)稱半橋。寬范圍適用性優(yōu)于傳統(tǒng)的不對(duì)稱半橋。低壓大電流的應(yīng)用場(chǎng)合有一定的優(yōu)勢(shì)。

  2 緩沖型軟開關(guān)對(duì)稱PWM 控制策略

  對(duì)稱控制半橋變換器磁心雙向磁化,利用率高,且不存在偏磁??刂品奖悖刂铺匦跃€性。功率管上電壓應(yīng)力低,適用于高輸入電壓場(chǎng)合,但此種半橋變換器較難實(shí)現(xiàn)軟開關(guān),變換器效率難以得到提高。

  2.1 對(duì)稱PWM 控制ZVS半橋變換器

  文獻(xiàn)[8]提出一種對(duì)稱PWM 控制ZVS半橋變換器(見(jiàn)圖2),其與傳統(tǒng)半橋電路相比,對(duì)稱PWM 控制的ZVS直流變換器增加了一個(gè)由輔助開關(guān)管和一個(gè)二極管組成的支路。其主開關(guān)管不僅工作在對(duì)稱狀態(tài),而且下管和輔助開關(guān)管可在全負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)ZVS,上管也能在寬負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)ZVS,引起的附加損耗很小。該變換器器件所受應(yīng)力小,可靠性高,其更適合采用MOSFET做開關(guān)管,較少應(yīng)用于高電壓、大功率場(chǎng)合。該變換器需要利用諧振電感的儲(chǔ)能來(lái)實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的ZVS,增大諧振電感能擴(kuò)大上管ZVS范圍,但會(huì)使占空比丟失嚴(yán)重,設(shè)計(jì)諧振電感時(shí)須權(quán)衡考慮實(shí)現(xiàn)上管ZVS和減小占空比丟失[9]。

圖2 對(duì)稱PWM 控制ZVS半橋變換器

 

  2.2 對(duì)稱PWM 控制ZCS半橋變換器

  文獻(xiàn)[10]提出一種對(duì)稱PWM 控制ZCS半橋變換器(見(jiàn)圖3),在傳統(tǒng)不對(duì)稱半橋電路變壓器的副邊增加了一條由輔助開關(guān)管、諧振電容和諧振電感串聯(lián)構(gòu)成的輔助支路。其主開關(guān)管不僅工作在對(duì)稱狀態(tài),而且變換器能在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)所有開關(guān)管的ZCS和所有二極管的ZVS.與對(duì)稱控制半橋一樣,輔助開關(guān)管每半個(gè)周期導(dǎo)通一次,利用諧振電容與變壓器漏感的諧振為全負(fù)載范圍所有開關(guān)管ZCS及所有二極管ZVS創(chuàng)造了條件,重載時(shí)難以實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)。

 

圖3 對(duì)稱PWM 控制ZCS半橋變換器

  3 結(jié) 論

  本文明確了控制型軟開關(guān)半橋DC/DC變換器的定義,主要總結(jié)和歸納了4種控制型軟開關(guān)半橋DC/DC變換器的PWM 控制策略和2種緩沖型軟開關(guān)半橋DC/DC 變換器的對(duì)稱PWM 控制策略,對(duì)上述PWM 控制策略進(jìn)行了深入分析和綜合比較,為選擇具體應(yīng)用場(chǎng)合提供了依據(jù)。

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