摘 要： 提出了一種新型的升壓變換器" title="變換器">變換器拓?fù)洹娏餍蚙CS全橋" title="全橋">全橋倍壓變換器。對該變換器的穩(wěn)態(tài)工作過程進行了分析和推導(dǎo)，給出了該變換器的輸出特性，并用PSPICE軟件對其進行了仿真，給出了仿真結(jié)果。
關(guān)鍵詞： ZCS；倍壓；全橋；高壓變換器
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??? 目前高壓電源被廣泛用于工業(yè)設(shè)備中，如醫(yī)用X光設(shè)備、污水處理、雷達發(fā)射器、行波管等領(lǐng)域。由于輸出電壓很高，并且有些電源有體積要求，因此就出現(xiàn)了變壓器設(shè)計、電源效率、電源體積等一系列難題。2005年，R.Y.Chen與K.C.Tseng提出了一種稱之為電流型全橋高壓變換器的電路拓?fù)?SUP>[1]。該電路利用變壓器寄生電容和漏感產(chǎn)生諧振實現(xiàn)了開關(guān)管" title="開關(guān)管">開關(guān)管的零流開通和關(guān)斷" title="關(guān)斷">關(guān)斷，大大提高了功率密度。但通過對該電路的仿真分析，發(fā)現(xiàn)該電路存在不足之處：(1)開關(guān)管電壓應(yīng)力大；(2)變壓器分布參數(shù)不好控制；(3)變換器自身升壓倍數(shù)不夠高，在較高輸出電壓情況下，變壓器的升壓倍數(shù)過大，這將增大變壓器的設(shè)計難度。
??? 通過研究，筆者對該電路作了一些改進,提出了電流型ZCS全橋倍壓變換器。改進后的電路不僅繼承了原電路的優(yōu)點，而且有效地彌補了原電路的不足，并減小了變壓器的升壓比，降低了變換器的設(shè)計難度，進而更有利于實現(xiàn)電源的小型化。
1 穩(wěn)態(tài)工作過程分析
1.1 電路拓?fù)浣榻B
圖1給出了該變換器的電路拓?fù)洹in為輸入電感，并聯(lián)一個箝位電路，S1、S2、S3、S4為主開關(guān)管，Ds1、Ds2、Ds3、Ds4為開關(guān)管的體二極管，Lr、Cr是外加諧振元件，變壓器漏感為Ld、分布電容為Cp。為方便討論，輸出采用二倍壓整流電路。原電路沒有外加諧振元件Lr和Cr，靠調(diào)整變壓器分布參數(shù)Ld和Cp來實現(xiàn)零流開關(guān)。由于變壓器分布參數(shù)難以控制，使變換器實現(xiàn)難度很大。
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1.2 穩(wěn)態(tài)工作過程分析
??? 由于電路存在對稱性，在一個開關(guān)周期內(nèi)電路上、下半周期工作過程相同，因此只需分析半個周期即可。半個周期內(nèi)有5個工作狀態(tài)。圖2給出了工作波形圖，圖3給出了各個工作狀態(tài)的電流走向。
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??? 設(shè)電容電壓和電感電流的參考方向如圖1所示。為了簡化分析，假設(shè)：
??? (1)開關(guān)管S1、S2、S3、S4及二極管均為理想器件。
?? ?(2)C1、C2足夠大，一個周期內(nèi)，其兩端電壓保持不變，Vc1=Vc2=Vc，可視為恒壓源。
?? ?(3)輸入電感Lin足夠大，一個周期內(nèi)，其電流保持不變，可視為恒流源。
?? ?(4)箝位電路用一個電壓源VCL等效。
??? t0時刻以前，S2、S4處于導(dǎo)通狀態(tài)，D1、D2處于關(guān)斷狀態(tài)。由于變壓器分布電容Cp遠小于諧振電容Cr，變壓器的激磁電流也很小，因此，iLd可忽略不計，輸入電流Iin給Cr線性充電。電流走向圖如圖3(a)所示。
在t0時刻，
，iLd(t0)=0，iCt0)=iC(t0)=-Iin。
?? (1)開關(guān)模態(tài)1(t0～t1)
?? t0時刻以后，
，副邊二極管D2承受正電壓而導(dǎo)通，寄生電容uCr被輸出電壓箝位至
，電流走向圖如圖3(b)所示，等效電路" title="等效電路">等效電路如圖4所示。其微分方程為：
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??? 初始條件：
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??? 解得：
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??? (2)開關(guān)模態(tài)2（t1-t2）
??? 在t1時刻，開關(guān)管S1、S3開通，由于電感電流iCr不能突變，因此，開關(guān)管S1與S3是零電流開通。在這期間S1、S2、S3、S4與輸出整流二極管D2均導(dǎo)通，其電流走向如圖3(c)所示，等效電路如圖5所示。
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??? 由圖5可得方程組如下：
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已知初值為iLr(t1)=-Iin，iLd(t1)=-ILd1，uCr(t1)=-VCr1，解得：
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即流過開關(guān)管S1、S3的電流增加，流過開關(guān)管S2、S4電流減??；t1′時刻，iS2(t)=iS4(t)=0，然后電流反向，通過S2和S4的體二極管續(xù)流，開關(guān)管S2、S4的漏源電壓為零。因此，t1′時刻以后關(guān)斷開關(guān)管S2和S4，是零電壓關(guān)斷。
??? (3)開關(guān)模態(tài)3（t2-t3）
??? 在t2時刻，變壓器漏感電流iLd減小至零，副邊二極管D2零電流關(guān)斷，其電流走向圖如圖3(d)所示，等效電路如圖6所示。方程組如下：
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??? 在t3時刻，iS2(t)和iS4(t)反向過零，S2和S4的體二極管關(guān)斷。
??? (4)開關(guān)模態(tài)4（t3-t4）
??? 在t3時刻，S2和S4的體二極管關(guān)斷，uS4瞬間上升，uS4>Vin+VCL，二極管DC導(dǎo)通，其電流走向如圖3(e)所示，等效電路如圖7所示。方程如下：
??? 
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??? 在t3時刻，諧振電感的初始電流為iLr(t3)=0，諧振電容的初始電壓為uCr(t3)=Zr ILr2 sinωr(t3-t2)=VCr3。解微分方程可得：
??? 
??? (5)開關(guān)模態(tài)5（t4-t5）
??? 在t4時刻，iLr(t4)=Iin，二極管Dc關(guān)斷，其電流走向如圖3(f)所示，等效電路如圖8所示，為電流源向電容充電?？傻茫?BR>??? 
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??? 這是下半周期的初始狀態(tài)。t5時刻，uCr(t5)=
，開始下半周期工作過程。
2 仿真結(jié)果
??? 利用PSPICE軟件對該高壓變換器電路進行了仿真分析，仿真參數(shù)設(shè)置為：輸入電壓Vin=28V；開關(guān)管采用IRF150；輸入電感Lin=1mH；Lr=Ld=0.5μH；Cr=0.5μF；Cp=1nF；C1=C2=10μF；工作頻率fs=160kHz，變壓器變比n=1。
??? 經(jīng)仿真可得到，輸出直流電壓Vo=96V；輸出功率Po=300W。開關(guān)管很好地實現(xiàn)了零流開通，仿真結(jié)果如圖9所示。圖中自上而下依次為主開關(guān)管S1、S2的驅(qū)動脈沖、諧振電感Lr的電流、變壓器漏感Ld的電流、諧振電容Cr的電壓、輸出二極管D1/D2上的電流。
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??? 本文提出了一種新型高壓開關(guān)變換器——電流型ZCS全橋升壓倍壓變換器，并對該電路拓?fù)涞姆€(wěn)態(tài)工作過程進行了詳細(xì)的分析和推導(dǎo)，用PSPICE軟件仿真驗證了理論分析的正確性。
??? 該變換器可以實現(xiàn)較高的電壓增益。利用外加諧振元件和變壓器寄生參數(shù)的諧振過程，實現(xiàn)了開關(guān)管的零流開通。采用箝位電路有效地減小了開關(guān)管電壓應(yīng)力，同時采用倍壓電路降低了變壓器升壓比，減小了變壓器體積并降低了變換器的設(shè)計難度。該變換器尤其適用于低壓輸入、高壓輸出的場合。因此，對高壓開關(guān)電源設(shè)計者來說，電流型ZCS全橋升壓倍壓變換器是一種比較理想的參考方案。
參考文獻
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