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大功率AC/DC開關電源之工程設計(二):無源鉗位移相全橋電路

在通信行業、電力行業、工業、軍工、航空航天等領域,都廣泛應用大功率AC/DC高頻開關電源。單機功率從幾百瓦至幾百千瓦,智能化、n+1冗余模式、高效高功率密度、全數字化等是其顯著之特點。

在論壇上看到一些大功率AC/DC電源的工程設計求助帖,如拓撲怎樣選擇?高頻變壓器如何設計?環路的調試......  鑒于此,試著從Saber仿真到工程設計實例來闡述相關拓撲的原理和特點,內容包括如下:

開關電源工程設計步驟之我見

http://bbs.dianyuan.com/topic/1054843

大功率AC/DC開關電源之工程設計(一):有源鉗位全橋電路

http://bbs.dianyuan.com/topic/1055267

大功率AC/DC開關電源之工程設計(二):無源鉗位移相全橋電路

大功率AC/DC開關電源之工程設計(三):倍流整流移相全橋電路

大功率AC/DC開關電源之工程設計(四):VF/LLC-SRC全橋電路

大功率AC/DC開關電源之工程設計(五):CF/LLC-SRC全橋電路

...

由于個人水平和能力的限制,錯誤和不妥之處,敬請修改補充完善;同時,請大家共同參與探討和交流,達到共同進步之目的。

2. 大功率AC/DC開關電源之工程設計(二):無源鉗位移相全橋電路

      有源鉗位全橋電路抑制了副邊整流管反向恢復所致的尖峰和振蕩(換言之,即實現了副邊整流管的“軟開關”),但橋臂功率器件仍在硬開關環境下工作(即未實現ZVS、ZCS等軟開關),隨著市場對電源的效率、功率密度等指標不斷地提高,在工程設計中,開關頻率fs也不斷地提升,由于功率器件的開關損耗與開關頻率成正比,這使得在大功率應用中硬開關全橋電路越來越難于勝任了(即“捉襟見肘”了)。為了解決高頻下橋臂功率器件的開關損耗,出現了多種ZVS、ZCS等軟開關拓撲,移相全橋電路即是其中之一。在工程中,應用較多較成熟的有如下幾種:(1)無源鉗位移相全橋電路一;(2)無源鉗位移相全橋電路二;(3)有源鉗位移相全橋電路;(4)還有一種-即有限雙極控制ZVZCS電路,不知算不算移相全橋的范疇,還請大家定論。(詳細原理請參閱阮新波老師的《三電平直流變換器及其軟開關技術》、《脈寬調制DC/DC全橋變換器的軟開關技術》第二版等書籍和其他相關文檔)

    鑒于移相全橋電路博大精深,也由于個人水平和能力的限制,特邀請我的朋友---張工(網名zcyzvs)一起來同大家探討。


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fugems
LV.5
2
2013-08-16 09:27

以下是DC/DC部分的原理簡圖:

 無源鉗位移相全橋電路簡圖(一):

 

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fugems
LV.5
3
2013-08-16 09:29
@fugems
以下是DC/DC部分的原理簡圖: 無源鉗位移相全橋電路簡圖(一):[圖片] 

(1)無源鉗位移相全橋電路(一)

     特點簡述:由于原副邊同時增加了鉗位電路,副邊整流管上的尖峰和振蕩得到大幅地抑制,EMI改善、效率提升等等。在工程應用中,由于變壓器漏感、電路分布參數等的存在,其抑制效果與有源鉗位、諧振“雙軟”電路等相比,還是有明顯的差距,同時滯后橋臂ZVS范圍也較窄。

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fugems
LV.5
4
2013-08-16 09:36

無源鉗位移相全橋電路簡圖(二)

 

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fugems
LV.5
5
2013-08-16 09:37
@fugems
無源鉗位移相全橋電路簡圖(二)[圖片] 

(2)無源鉗位移相全橋電路二

特點簡述:其中L1為耦合電感。由于原副邊同時增加了鉗位電路,副邊整流管上的尖峰和振蕩得到大幅地抑制,EMI改善、效率提升等等。在工程應用中,由于變壓器漏感、電路分布參數等的存在,其抑制效果與有源鉗位、諧振“雙軟”電路相比,還是有明顯的差距,同時滯后橋臂ZVS范圍也較窄。

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fugems
LV.5
6
2013-08-16 09:43

有源鉗位移相全橋電路簡圖:

 

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fugems
LV.5
7
2013-08-16 09:44
@fugems
有源鉗位移相全橋電路簡圖:[圖片] 

(3)有源鉗位移相全橋電路

     特點簡述:由于副邊增加了有源鉗位電路,抑制了副邊整流管上的尖峰和振蕩,同時實現了原邊滯后橋臂的ZCS軟開關,EMI改善、效率大幅提升等等。在工程應用中,與諧振“雙軟”電路相比,增加了電路的復雜性。

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fugems
LV.5
8
2013-08-16 09:47

有限雙極控制ZVZCS電路簡圖:

 


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2013-08-16 09:48
認真聽講
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fugems
LV.5
10
2013-08-16 09:48
@fugems
有限雙極控制ZVZCS電路簡圖:[圖片] 

(4)有限雙極控制ZVZCS電路

       特點簡述:其中T1、T2構成互補橋臂,T3、T4構成調寬橋臂;互補橋臂實現ZCS,調寬橋臂實現ZVS。這種架構更適合于IGBT作為橋臂功率器件,在焊接電源等領域得到廣泛應用。但工程應用中,副邊整流管上的尖峰和振蕩沒有得到較好的抑制。

(待續)

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fugems
LV.5
11
2013-08-16 10:01
@fly
認真聽講
還請fly兄多指教!
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fugems
LV.5
12
2013-08-19 10:50
@fugems
以下是DC/DC部分的原理簡圖: 無源鉗位移相全橋電路簡圖(一):[圖片] 

下面是無源鉗位移相全橋電路(一) 原理簡圖的PDF文檔:

無源鉗位移相全橋電路一 

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fugems
LV.5
13
2013-08-19 10:52
@fugems
無源鉗位移相全橋電路簡圖(二)[圖片] 

下面是 無源鉗位移相全橋電路(二) 原理簡圖的PDF文檔:

無源鉗位移相全橋電路二 

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fugems
LV.5
14
2013-08-19 10:52
@fugems
有源鉗位移相全橋電路簡圖:[圖片] 

下面是 有源鉗位移相全橋電路 原理簡圖的PDF文檔:

有源鉗位移相全橋電路 

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fugems
LV.5
15
2013-08-19 10:57
@fugems
有限雙極控制ZVZCS電路簡圖:[圖片] 

下面是 有限雙極控制ZVZCS電路  原理簡圖的PDF文檔:

有限雙極控制ZVZCS電路 

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fugems
LV.5
16
2013-08-19 10:59

以3KW電力電源為例,基本參數如下:

1. 主動PFC部分

    Ui=285Vac—475Vac

    Ud=750Vdc

     fd=65KHz

     η1=97.5%
?2. DC/DC變換器部分

    Vo=198Vdc—286Vdc

     Io=0-11A

     fo=65KHz

     η2=94.5%

整機效率 η= η1* η2=92.1%

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fugems
LV.5
17
2013-08-19 11:00

下圖是DC/DC部分Saber仿真的原理簡圖:

 

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fugems
LV.5
18
2013-08-19 11:06
@fugems
下圖是DC/DC部分Saber仿真的原理簡圖:[圖片] 

上圖中是較完整的PS-FBC仿真電路,某些參數需要有興趣的朋友自己加上,若有疑問,可以共同討論。

下面是DC/DC部分Saber仿真電路 的PDF文檔:

PS-FBC 

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fugems
LV.5
19
2013-08-19 11:11

下圖是Ua、Ub、Uc和Ud仿真圖一(0-50mS):

  

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fugems
LV.5
20
2013-08-19 11:13
@fugems
下圖是Ua、Ub、Uc和Ud仿真圖一(0-50mS):[圖片]  

下圖是Ua、Ub、Uc和Ud仿真圖二(28.5mS-28.55mS):

 

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fugems
LV.5
21
2013-08-19 11:16
@fugems
下圖是Ua、Ub、Uc和Ud仿真圖一(0-50mS):[圖片]  

下面是Ua、Ub、Uc和Ud仿真圖一 和圖二的PDF文檔:

PS-FBC1(1) 

PS-FBC1(2) 

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fugems
LV.5
22
2013-08-19 11:18

下圖是輸出電壓Vo仿真圖(0-50mS):

 

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fugems
LV.5
23
2013-08-19 11:19
@fugems
下圖是輸出電壓Vo仿真圖(0-50mS):[圖片] 

下面是輸出電壓Vo仿真圖的PDF文檔:

PS-FBC1(3) 

(待續)

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fugems
LV.5
24
2013-08-19 11:23
@fugems
下圖是Ua、Ub、Uc和Ud仿真圖一(0-50mS):[圖片]  

下圖是Ua和Ub、Uc和Ud之間死區時間Td仿真圖(28.5mS-28.55mS):

 

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fugems
LV.5
25
2013-08-19 11:25
@fugems
下圖是Ua和Ub、Uc和Ud之間死區時間Td仿真圖(28.5mS-28.55mS):[圖片] 

從上圖可知,Ua和Ub、Uc和Ud之間死區時間Td 約為350nS,符合工程應用的要求。

注意:PS-FBC中死區時間Td的選擇,還與橋臂功率MOS實現ZVS有一定的關系,需要考慮。

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fugems
LV.5
26
2013-08-19 11:33
@fugems
下圖是Ua和Ub、Uc和Ud之間死區時間Td仿真圖(28.5mS-28.55mS):[圖片] 

下面是Ua和Ub、Uc和Ud之間死區時間Td仿真圖的PDF文檔:

PS-FBC1(7) 

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fly
27
2013-08-19 11:39
@fugems
[圖片]還請fly兄多指教!
能否詳細講講電路的工作原理,開關時序?
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fugems
LV.5
28
2013-08-19 11:48
@fly
能否詳細講講電路的工作原理,開關時序?
詳細原理請fly兄 參閱阮新波老師的《三電平直流變換器及其軟開關技術》、《脈寬調制DC/DC全橋變換器的軟開關技術》第二版等書籍和其他相關文檔,他們是專家、教授,說得更嚴謹和準確。
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fugems
LV.5
29
2013-08-20 09:17

下圖是輸出電壓Vo、原邊電流Ip和Ua-Ub、Ua1-Ub1仿真圖一(0-50mS):

 

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fugems
LV.5
30
2013-08-20 09:19
@fugems
下圖是輸出電壓Vo、原邊電流Ip和Ua-Ub、Ua1-Ub1仿真圖一(0-50mS):[圖片] 

下圖是輸出電壓Vo、原邊電流Ip和Ua-Ub、Ua1-Ub1仿真圖二(28.5mS-28.55mS):

 


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fugems
LV.5
31
2013-08-20 10:01
@fugems
下圖是輸出電壓Vo、原邊電流Ip和Ua-Ub、Ua1-Ub1仿真圖二(28.5mS-28.55mS):[圖片] 

       從展開圖中可以得知,原邊橋臂電壓Ua-Ub的波形中有一個凸起(紅色圈內部分)。我相信,多數第一次做移相全橋的朋友都可能遇到過這樣的問題,且為解決它而頗費周折。對于此問題的成因,應該是LC諧振回路的諧振周期太短、死區時間選擇太大等因素所致。為此應做相應地增加LC諧振回路的周期、減小死區時間等處理方法。

       增加LC諧振回路的諧振周期可以加大諧振電感Lr、加大諧振電容Cr及同時加大諧振電感Lr和諧振電容Cr等選擇;這里有一個折中考慮的問題,不能過度,是PS-FBC存在占空比丟失、滯后橋臂實現ZVS的范圍較窄等不足之由。

       就增加LC諧振回路的諧振周期作如下分析:

        1.  加大諧振電感Lr,可以增加LC諧振回路的諧振周期、使滯后橋臂實現ZVS的范圍變寬,但同時占空比丟失也增加,需要折中考慮;

        2.  加大諧振電容Cr,可以增加LC諧振回路的諧振周期,但使滯后橋臂實現ZVS的范圍變得更窄,增加滯后橋臂容性開通損耗,需要折中考慮。

        3.  基于此,個人的思路是首先確定占空比丟失的取值,這樣就可以確定諧振電感Lr的最大取值,最后再確定諧振電容Cr的取值。

       還有超前橋臂的關斷損耗,會在后面帖中說到。

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