《電子技術(shù)應(yīng)用》
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大功率軟開關(guān)移相全橋變換器的研究
摘要: 本文提出了適用于大功率沖擊負(fù)載的一種移相全橋變換器的電路拓?fù)?,分析了工作原理,完成?000A直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計,給出了實驗結(jié)果。
Abstract:
Key words :

  0 引言

  文獻(xiàn)[1][2]提出的移相ZVS PWM DC/DC全橋變換器的主要缺陷是占空比丟失嚴(yán)重;文獻(xiàn)[l][3]提出的移相ZCZVS PWM Dc/DC全橋變換器的主要缺陷是滯后橋臂開關(guān)管的電壓應(yīng)力增大,這都不適用于大功率沖擊負(fù)載和飛機(jī)、白行火炮、坦克、導(dǎo)彈等武器裝備的起動電源。本文提出了適用于大功率沖擊負(fù)載的一種移相全橋變換器的電路拓?fù)洌治隽斯ぷ髟?,完成?000A直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計,給出了實驗結(jié)果。

  l 一種大功率移相全橋變換器

  l.1 電路拓?fù)?/p>

  大功率變壓器副邊串聯(lián)移相DC/DC全橋變換器的電路拓?fù)淙鐖D1所示。Cb是阻斷電容,Lr是上逆變器的漏感。lGBT模塊S1~S4控制方式為移相控制,稱S1和S3組成的橋臂為超前橋臂,S2和S4組成的橋臂則為滯后橋臂,D1~D4為IGBT模塊體內(nèi)二極管。下逆變器與上逆變器完全一樣。

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  l.2工作原理

  圖2給出了該變換器的主要波形。uAB為A、B兩點(diǎn)間電壓,uCD為c、D兩點(diǎn)間電壓,Vin為輸入直流電壓。假設(shè)變壓器r的原邊電流ip方向自下而上為正,阻斷電容Cb電壓ucb方向為左正右負(fù),C1=C3=C2=C4=Cr,濾波電感大功率軟開關(guān)移相全橋變換器的研究(n足變壓器原、副邊匝比)。在一個丌關(guān)周期中,有12種開關(guān)模態(tài),各開關(guān)模態(tài)分析如下。

  1)開關(guān)模態(tài)O[t0時刻]在t0時刻,S1和S4導(dǎo)通。原邊電流i0流經(jīng)S1、阻斷電容Cb、漏感Lr、變壓器T原邊繞組N1以及S4。整流管DR1導(dǎo)通,DR2截止,原邊給負(fù)載供電。原邊電流ip給阻斷電容CR2充電。輸出濾波電感Lf足夠大,可以將它看成一個電流源。此時,原邊電流ip=Ipo=Io/n,Io是輸出負(fù)載電流。在to時刻阻斷電容Cb電壓vCb=Vcb(t0)。

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  2)開關(guān)模態(tài)1[t0,t1]在t0時刻關(guān)斷S1,ip從S1中轉(zhuǎn)移到C3和C1中,給C1充電,同時C3被放電。在這個時段里,Lf折算到原邊的電感n2Lf和漏感Lr串聯(lián),而且Lf很大,可以認(rèn)為i0近似不變,類似于一個恒流源,其大小為ip=Ipo=Io/n。原邊電流i0繼續(xù)給阻斷電容Cb充電。C1的電壓vc1從零開始線性上升.C3的電壓vc3從Vim開始線性下降。有

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  因此S1是零電壓關(guān)斷。在t1時刻,C3的電壓下降到零,S3的反并二極管D3自然導(dǎo)通,從而結(jié)束開關(guān)模態(tài)l0該模態(tài)的持續(xù)時間為在t1時刻,阻斷電容Cb上的電壓為

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  3)開關(guān)模態(tài)2[t1,t2]導(dǎo)通后,在t′1時刻,開通S3,S3是零電壓開通。S3與S1驅(qū)動信號之間的死區(qū)時間td(lead)>t01,即

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  在這段時間里,D3和S4導(dǎo)通,A、B兩點(diǎn)電壓uAB等于零。此時加在漏感上的電壓為阻斷電容電壓vCd而變壓器原、副邊繞組電壓均為零,變壓器副邊兩個整流二極管DR1和DR2同時導(dǎo)通。在這個時段里,雖然濾波電感Lf折算到原邊的電感為零,但足由于漏感還是較大,所以原邊電流稍微減小,阻斷電容電壓繼續(xù)充電。因此,可認(rèn)為在這個開關(guān)模態(tài)中,原邊電流基本不變,阻斷電容電壓是線性上升,即

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  式中:Tn為開關(guān)周期;Ds為原邊占空比。

  4)開關(guān)模態(tài)3[t2,t3]在t2時刻,關(guān)斷S4原邊電流ip轉(zhuǎn)移到C2和C4中,一方面抽走C2上的電荷,另一方面同時義給C4充電。由于C2和C4的存在,S4的電壓是從零慢慢上升的,因此S4是零電壓關(guān)斷。此時vAB=-vC4,而vAB的極性自零變?yōu)樨?fù)。由于整流管DR1和DR2同時導(dǎo)通,將變壓器副邊繞組短接,變壓器副邊繞組電壓為零,原邊繞組電壓也為零,vAB直接加在漏感Lr及Cb上,因此在這段時間里L(fēng)r和C2、C4在諧振工作。原邊電流ip和電容C2及C4的電壓分別為在t3時刻,C4的電壓上升到Vin,D2自然導(dǎo)通,結(jié)束該開關(guān)模態(tài)。它的持續(xù)時間為

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  在t3時刻,C4的電壓上升到Vin,D2自然導(dǎo)通,結(jié)束該開關(guān)模態(tài)。它的持結(jié)時間為

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  5)開關(guān)模態(tài)4[t3,t4]在t3時刻,D2自然導(dǎo)通,將S2的電壓箝在零,此后就可以開通S2,S2是零電壓開通。S2和S4驅(qū)動信號之間的死區(qū)時間td(lag)>t23,即

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  雖然此時S2已開通,但S2不流過電流,i0由D2流通,漏感的儲能回饋給輸入電源。由于副邊兩個整流管同時導(dǎo)通,因此變壓器副邊繞組電壓為零,原邊繞組電壓也為零,這樣電源電壓Vin加在諧振電感Lr兩端,原邊電流ip線性下降。

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  到t4時刻,原邊電流從ip(t3)下降到零,二極

  管D2和D3自然關(guān)斷,S2和S3中將流過電流。開關(guān)

  模態(tài)4的持續(xù)時間為

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  S2和S4驅(qū)動信號之間的死區(qū)時間td(lag)

  到t4時刻,原邊電流ip從下降到零,阻斷電容電壓vcb為最大值Vcbp。在這個開關(guān)模態(tài)中,可認(rèn)為阻斷電容電壓vcb基本不變?yōu)閂cbp。

  6)開關(guān)模態(tài)5[t4,t5]在t4時刻,原邊電流由正方向過零,并且向負(fù)方向增加,流經(jīng)S2和S4。由于原邊電流仍不足以提供負(fù)載電流,負(fù)載電流仍由兩個整流管提供回路,因此原邊繞組電壓仍然為零,加在漏感Lr和阻斷電容Cb的電壓是電源電壓Vin,原邊電流反向線性增加。

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  到t5時刻,原邊電流達(dá)到副邊折算到原邊的負(fù)載電流-Ipo值,該開關(guān)模態(tài)結(jié)束。此時,整流管DR1關(guān)斷,DR2流過全部負(fù)載電流。開關(guān)模態(tài)5的持續(xù)時間為

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  在這個開關(guān)模態(tài)中,也認(rèn)為阻斷電容電壓vcb基本不變?yōu)閂cbp。

  7)開關(guān)模態(tài)6[t5,t6]從t5時刻開始,原邊向負(fù)載提供能量,同時給阻斷電容反向充電。輸出整流管DR1自然關(guān)斷,所有負(fù)載電流均流過DR2在這個開關(guān)模態(tài)中,有

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  在t6時刻,關(guān)斷S3,開始另一個半周期[t6,t12],其工作情況類似于前面描述的[t0,t6]。

  由以上分析知,阻斷電容電壓vcb最大值Vcbp近似為大功率軟開關(guān)移相全橋變換器的研究

  l.3技術(shù)特點(diǎn)

  變壓器副邊串聯(lián)移相DC/DC全橋變換器的超前橋臂容易實現(xiàn)ZVS,滯后橋臂實現(xiàn)ZVS需要一個最小的負(fù)載電流來保證,基本實現(xiàn)軟開關(guān),使開關(guān)損耗、電磁干擾小,特別是對于沖擊負(fù)載。副邊占空比的丟失明顯減小。能承受較大沖擊負(fù)載電流。功率開關(guān)管的數(shù)量多,有利于開關(guān)管散熱設(shè)計,以便控制機(jī)內(nèi)溫升。

  2 l000A直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計

  2.l主要技術(shù)指標(biāo)

  主要技術(shù)指標(biāo)是:額定輸入電壓為三相三線380(1±15%)V、50Hz,額定輸出直流電壓為28.5(1±15%)V,額定輸出電流為1000A,額定輸出功率為30 kW。

  2.2 實驗結(jié)果

  圖3給出了移相l(xiāng)Oμs時,IGBl、的驅(qū)動電壓波形。工作周期約為40μs,驅(qū)動電壓正幅值為+15V、負(fù)幅值為一9V,死區(qū)時間約為2.3μS。

  圖4給出了輸出負(fù)載1000A時,輸出直流電壓的紋波。紋波主要頻率約為50kHz,高頻噪聲遠(yuǎn)小于此頻率紋波,紋波的峰一峰值為1.3V。

 

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  圖5給出了輸出負(fù)載l000A時,滯后臂的驅(qū)動電壓、CE極電壓和原邊電流的波形。滯后臂的開通、關(guān)斷是ZVS。

  圖6給出了輸出負(fù)載1000A時,超前臂的驅(qū)動電壓、CE極電壓和原邊電流的波形。超前臂的開通、關(guān)斷是ZVS。

  圖7給出了輸出負(fù)載500A時,主變的副邊和原邊電壓波形。副邊、原邊電壓的過沖較小。圖中原邊占空比約為0.7,副邊占空比丟失約為4μs而知原邊最大占空比為0.88,因此,能承受大的沖擊負(fù)載。

  3 結(jié)語

  變壓器副邊串聯(lián)DC/DC全橋變換器的電路解決了占空比丟失嚴(yán)重和開關(guān)管電壓應(yīng)力增大的問題,適用于大功率負(fù)載,特別適用于大功率沖擊負(fù)載。

  1000A直流穩(wěn)壓電源已經(jīng)應(yīng)用在飛機(jī)設(shè)計、試驗的過程中,其體積、重量明顯減小,電磁兼容性好,輸出電壓調(diào)整率低且無溫漂,能承受較大沖擊負(fù)載電流,特別適合作為起動電源。

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