摘 要: 提出了一種新型FB-ZVZCS-PWM變換器,它在全橋交換器的基礎上在次級增加無源無損錯位電路,實現了滯后臂的零電流開關,給出了設計方法和實驗結果.
關鍵詞: 直流變換器;環流/零電壓零電流開關
正文:
1 引言
移相控制FB-ZVZCS-PWM變換器存在環流問題,而且初級漏感需要有較大的儲能才能保證滯后管的零電壓導通.在輕載條件下,實現零開關需要較大的初級偏感,而大漏感將會帶來較大的占空比損失等問題,使交換器的效率降低,系統損耗增加.曾使用次級鉗位網絡的方法使變換器在初級電壓到零時初級電流迅速下降到零,滯后臂實現了零電流開通,解決了環流帶來的損耗,大大減小了占空比損失.但需要增加繞組的增加功率開關管,并會在變壓器次級產生較大的電壓尖峰.本文提出一種新型的次級鉗位FB-ZVZCS-PWM變換器,通過次級引出的中間抽頭與電容連接,在二極管的作用下,可在初級續流期間使初級電流迅速下降實現滯后臂零電流開通和關斷.與前面提出的次級錯的拓撲相比,無需在基本移相控制FB-ZVS-PWM電路的基礎上增加功率開關管,也不需要增加飽和電抗器或增加繞組,降低了控制難度和工藝復雜性.同時通過一個鉗位二極管的作用使次級電壓鉗位,降低了次級電壓的尖峰.
2 工作原理
新型次級鉗位FB-ZVZCS-PWM變換器的拓撲如圖1所示.在傳統電路的基礎上,變壓器的次級采用全波整流帶中間抽頭的結構,中間抽頭通過二極管VDC1連接一個電容CC,該電容通過另一個二極管VDC2與變壓器次級輸出相連.當變換器的能量由變壓器的初級轉移到次級時CC充電.由于二極管VDC3的鉗位作用,CC的電壓最大不會超過V0,在CC充電過程中次級電壓VREC被鉗位在2V0.VDC2在能量傳遞階段不會導通.當變壓器初級電壓下降時,次級的電壓VREC也相應下降,當VREC降到小于CC的電壓時,VDC2導通,使VREC下降的速度小于初級,次級繞組的電流的下降速度也將小于初級,相當于在初級增加了一個反相的電壓,使初級電流迅速降為零,減小了環流的損耗和占空比損失,并使滯后管實現了零電流開通.圖3為各開關管的次序圖及有關波形圖.該電路的詳細工作過程分析如下:
(1)模式1(T.~T1):T.時刻VT4導通,在已導通的VT1共同作用下,初級電壓由零變為VAB,二極管VD11、CD13導通,變壓器初級向次級傳遞能量.次級的CC通過VDC1以及初級的漏感LLK充電,電容上的電壓由零諧振上升至V0.等效電路如圖2A.由于對CC從電壓為零開始充電,使初級電流上升速度遠遠大于沒有次級鉗位電容CC的變換器,減小了因初級漏感帶來的占空比損失.CC上的電壓、電流分別為:
此過程中,當CC上的電壓達到V0時,由于CF較大可以看成為電壓源,VDC3開通CC的電壓鉗位到V0.VREC將是CC上電壓的2倍,上升至2 V0.
(2)模式2(T1~T2):T1時刻VDC3導通,LLK上的電流繼續諧振,當次級中心抽頭上的電流諧振到零后,VDC1關斷,此過程中CC上的電壓一直鉗位為V0,VREC保持為2 V0.
(3)模式3(T2~T3):T3時刻VDC1關斷后,VREC的電壓恢復為V2(V2=VS/M),初級繼續向次級傳遞能量.由于V2>V0,二極管VDC2不會導通,CC上的電壓保持不變.
(4)模式 4(T3~T4):T3時刻 VT1斷開,由于VT1并聯有C1,VT1的電壓不能突變,使VT1實現零電壓關斷.超前臂上的C1、C2分別通過初級的漏感和次級折算到初級的電感諧振充、放電,使VT2的電壓逐漸向零變化.
(5)模式5(T4~T5):變壓器初級的電壓下降,T4時刻次級VREC
(6)模式6(T2~T6):初級電壓諧振到零后,由于CC的作用,二極管VD11、VD13不會馬上關斷,相當于在初級增加了一個反相的電壓,使初級的電流迅速降為零.(等效電路如圖2C)此時變壓器初級的電流IP和CC上的電壓V CC分別為:
(7)模式7(T6~T7):初級電流降為零后,其不再向次級傳遞能量.由于LF的存在,次級的電流將不變.此時VDC2是導通的,由CC向負載提供能量(等效電路如圖2D)CC上的電壓相應減小至零.其中:式中V——模式開始時CC上的電壓
(8)模式8(T7~T8):T7時刻,CC上的電壓減小至零.由LF與CF繼續向負載提供恒定的電流與電壓.隨后,超前臂VT2零電壓導通.
(9)模式9(T8以后):此階段中,滯后回VT4零電流關斷VT3零電流導通.電路重復模式1.
3 實驗結果
實驗采用的電路參數為:變壓器變比M=N1:N2＝20:20,初級漏感LLK=15UH,超前往旁路電容C1~C2=9NF,次級鉗位電容CC＝220NF,開關頻率為 20KHZ.
圖4是超前行開關管的驅動電壓與開關電壓波形,由圖可知,超前行是零電壓導通和關斷.圖5、圖6分別是有和無次級鉗位電路時的變壓器初級的電流電壓波形,由圖可知,使用了次級鉗位網絡的電路消除了電流環流現象.同時,可以看出使用了次級鉗位網絡的電路雖然初級漏感取得較大,初級電流變化很快,但占空比損失極小.圖7是變壓器次級的電壓波形和次級鉗位電容CC的電壓,由圖可知,該拓撲電路降低了次級電壓的尖峰.
該實驗電路使用次級鉗位電路前后輸入輸出功率與效率的對比如下表所示.
拓樸形式 輸入功率(W) 輸出功率(W) 效率
有次級鉗位電路 273.6 232.5 84.98%
無次級鉗位電路 289.5 232.5 80.31%
由理論分析和實驗結果可知:所提出的新型次級錯位網絡在傳統全橋交換器的基礎上無需增加功率開關管和繞組,消除了電流環流現象,減小了占空比損失,提高了變換器的效率,并使次級電壓鉗位,降低了電壓尖峰.
