移相全桥软开关变换器拓扑分析

1、2005年12月重庆大学学报(自然科学版D ec . 2005 第28卷第12期Jour nal of Chongqi n g U niversity(Nõt u r õl Sc ience Ed ition V o. l 28 No . 12文章编号:1000-582X (2005 12-0027-05移相全桥软开关变换器拓扑分析*陈 柬, 陆治国(重庆大学电气工程学院, 重庆 400030摘 要:移相全桥软开关变换器从基本的移相全桥(FB 零电压(Z VS 脉宽调制(P WM 变换器, 发展到移相全桥零电压零电流(ZVZCS P WM 变换器, 及移相全桥零电流(ZCS

2、 P WM 变换器, 进而又产生一系列其它新型的移相全桥电路, 构成了这一类很具有发展和应用前景的变换器. 比较分析了上述3类主要的移相全桥软开关变换器的拓扑结构、工作特点和各自的优缺点. 改进的FB-Z VS-P WM 变换器扩大了滞后臂Z VS 负载范围. FB -ZVZCS -P WM 变换器解决了滞后臂软开关负载范围问题, 滞后臂较适合用绝缘栅极双极型晶体管(I G B T . FB-ZCS-P WM 变换器可以实现各个功率管的ZCS , 更适合大功率场合.关键词:移相; 零电压开关; 零电流开关; 零电压零电流开关; 变换器 中图分类号:TM 910. 1文献标识码:A移相P WM

3、控制方式是近年来在全桥变换电路中广泛应用的一种软开关控制方式. 这种控制方式实际上是谐振变换技术与常规P WM 变换技术的结合. 移相全桥软开关电路有效降低了电路的开关损耗和开关噪声, 减少了器件开关过程中产生的电磁干扰, 为变换器装置提高开关频率和效率降低尺寸及重量提供了良好的条件. 同时, 还保持了常规的全桥P WM 电路中拓扑结构简洁, 控制方式简单, 开关频率恒定, 元器件的电压和电流应力小等一系列优点.1 移相FB-Z VS-P WM 变换器 1. 1 基本的移相FB-ZVS-P WM 变换器移相全桥零电压P WM 软开关的实际电路如图1所示1-3.图1 基本的移相FB-ZVS-P

4、WM 变换器图2是Q 1Q 4的开关控制波形. 与常规的全桥P WM 相比, 移相式FB -Z VS -P WM 变换器具有明显的优势. 利用变压器漏感和开关管的结电容谐振, 在不增加额外元器件的情况下, 通过移相控制方式, 实现了功率开关管的零电压导通与关断, 减小了开关损耗, 降低了开关噪声, 提高了效率, 减小整机的体积与重量. 其主要缺点为:滞后臂开关管在轻载下将失去零电压开关功能; 原边有较大环流, 增加了系统的通态损耗; 存在占空比丢失现象3-8.图2 开关控制波形1. 2 串联饱和电感的改进拓扑在变压器初级串联饱和电感L r 的方案中9, 利用L r 的临界饱和电流特性及储能,

5、来扩大Z VS 的负载范围, 提高轻载时的输出效率. 与图1所示变换器相比,它具有明显的优势:有效扩大了零电压开关负载范围,*收稿日期:2005-08-10作者简介:陈柬(1981-, 女, 河南南阳人, 重庆大学硕士, 主要从事电力电子与电力传动方向的研究.保持了最小的环流能量, 减小了导通损耗; 减小占空比丢失; 改善了输出电压调节特性; 减小了副边整流二极管结电容的寄生振荡.1. 3 输出滤波电感参与谐振的改进拓扑这种电路在滞后臂开关管进行状态转换的短暂期间, 使副边整流二极管不能同时导通, 则输出滤波电感可被用来参与谐振. 与基本的移相式FB-ZVS-P WM 变换器相比9, 它具有如

6、下特点:输出滤波电感具有很大的数值, 可以存储很大的磁场能量, 从而大大扩展滞后臂开关管零电压开关负载范围; 减小占空比丢失; 输出电压可以通过变压器副边调节, 原边保持恒定的占空比, 从而可以加快系统的动态响应, 简化了控制电路, 无需考虑原副边的隔离; 饱和电感使副边整流二极管结电容的寄生振荡可忽略不计, 副边可以不考虑缓冲器的设计.1. 4 有源钳位型改进拓扑针对高压大功率场合整流管的寄生电容与变压器漏感相互作用会导致整流管输出电压产生过冲及振荡现象的问题, 常用的抑制方法有整流管两端并联阻容吸收回路, 采用无源钳位吸收电路, 或使用低漏感变压器及谐振电感等, 存在的问题是吸收电路损耗大

7、、影响效率, 或者能抑制电压过冲但无法完全消除振荡现象. 文献9提出一种在整流管输出端并联有源钳位吸收电路的方法, 不仅能有效抑制整流管电压过冲和振荡现象, 而且钳位回路本身损耗很小, 变换器具有较高效率.1. 5 增加辅助电路的改进拓扑这种电路的基本方法是, 给滞后臂并联一个辅助谐振电路, 利用辅助电路中的电感帮助漏感实现滞后臂开关管的ZVS . 此种方法在三相电压型逆变器设计中是最常用的软开关手段之一. 1. 6 其它改进拓扑将一个续流二极管增加到输出端, 并且在原边增加由电阻、电容组成的吸收电路10, 如图3所示. 在变换器的钳位续流期, 大部分电流经过外加续流二极管, 降低了输出滤波电

8、感电流对原边的影响. 但是, 外加续流二极管并不影响移相臂的/线性0切换, 这是因为在外加续流二极管导通之前, 移相臂的线性切换已经完成. 外加二极管的作用就是消除移相臂切换行为发生后的输出滤波电感对原边的反射, 降低了钳位续流期间原边电流的短路效应, 减少了环流期间的导通损耗, 提高了能量的传输效率. 在变压器原边增加由电阻、电容组成的压吸收电路使电流尖峰得到了明显的抑制 .图3 增加吸收电路和续流二级管的变换器另外, 文献11介绍了利用能量恢复缓冲器的软开关变换器.2 移相FB-Z VZCS-P WM 变换器近年来I G BT 得到了迅速的发展及广泛的应用, 由于它具有较高的耐压值, 较低

9、的通态损耗, 较大的功率密度和较低的成本, 更适用于大功率场合12-15. FB-ZVZCS-P WM 变换器就比较适合I GBT. 2. 1 饱和电感型FB-ZVZCS-P WM 变换器如图4所示, 这种在变压器初级串联隔直电容及饱和电感作为反向阻断电压源, 来复位初级电流的方案13, 16-17, 拓扑结构简单, 实现了有效的软开关特性, 电路中的占空比丢失几乎可以忽略. 但由于实际运行中饱和电感上有很大损耗, 饱和电感磁芯的散热问题是一个很需要解决的问题 .图4 全桥ZV ZCS-P WM 变换器2. 2 有源钳位型FB-ZVZCS-P WM 变换器在整流管输出端并联有源钳位电路, 作为

10、反向阻断电压源来复位初级电流. 钳位电路不仅对整流电压起钳位作用, 同时也为滞后桥臂功率管创造了ZCS 条件18. 不足之处是需使用额外的有源开关, 降低了输出效率.2. 3 辅助电路型FB-ZVZCS-P WM 变换器采用变压器辅助绕组和辅助电路来使初级电流复位, 优点是辅助电路中没有耗能元件, 整流管电压应力和初级环流均较小, 不足之处是辅助绕组的参数设计比较复杂19. 2. 4 复合型FB-ZVZCS-P WM 变换器文献20提出在变压器次级采用耦合输出电感及辅助电路使初级电流复位的方案, 没有耗能元件或, , 28重庆大学学报(自然科学版 2005年管通过谐振可以实现/软换流020.

11、比较分析上述几种变换器拓扑, 文献20提出的方案较易于工程实现, 有较大的实用价值. 2. 5 其它FB -Z VZCS-P WM 变换器图5是一个带能量恢复缓冲器的FB -ZVZCS-P WM 变换器. 利用一个能量恢复缓冲器, 来代替附加抽头式电感和饱和电抗器, 以减小电流应力. 变换器可以减少惯性间隙的环路电流. 使用简化的能量缓冲器可以使环路电流和次级暂态过电压最小化 .图5 其它FB-ZV ZCS-PWM 变换器能量恢复缓冲器和输出电感L f 一起减小了环路电流. 缓冲二极管D s 4和输出电容C f 连在一起用于对从次级电压V T 2到输出电压V 0的缓冲电容电压V cs 2钳位2

12、1. 因此, 简化的FB -Z VZCS-P WM 变换器可以减小次级的暂态过电压和环路电流. 这个简化的缓冲器也把开关损耗恢复到负载.3 移相FB-ZCS-P WM 变换器图6是一种电流源型FB -ZCS -P WM 变换器22, 其外特性与升压电路(Boost 一样, L b 是升压电感, C r 是谐振电容. 变换器采用移相控制, Q 3和Q 4的驱动信号分别超前于Q 1和Q 2. 同一桥臂的上下两管之间有一个重叠的开关时间, 用来创造零电流开关条件. 它的特点是:1 输出整流管自动实现ZVS 和ZCS 换流; 2 采用固定频率控制和移相P WM 控制技术; 3 在实现ZCS 的同时,

13、变换器能保证较宽的负载调节范围; 4 如果将升压电感移到交流电压输入侧, 则可以实现单级功率因数校正(PFC. 但是对电路参数的要求很严格, 如果保护措施不当, 很容易产生过压而损坏开关管.图6 电流源型FB -ZCS-P WM 变换器图7介绍了一种电压源型的FB -ZCS -P WM 变换器, 存在的问题是:所选用的辅助管额定功率必须与初级开关管相当, 增加了成本 .图7 电压源型FB -ZCS-P WM 变换器4 其它新型移相全桥电路4. 1 半桥和全桥组合的电路拓扑主电路如图8所示, 该电路是由一个半桥部分和一个全桥部分组合而成. 开关管Q 1、Q 2以及变压器T 1构成半桥部分; 开关

14、管Q 1、Q 2、Q 3、Q 4和变压器T 2构成全桥部分. Q 1、Q 2是共用的开关管. 2个变压器的副边电压经叠加、整流后输出给负载. 整流输出端并有二极管D 9用于输出电流的续流; 还有由C Z 、D Z 1、L Z 、D Z 2构成的钳位电路用于减小占空比的丢失. 电路采用移相控制策略, 可以实现输出电压控制 .图8 主电路原理图这种电路克服了传统的移相全桥的缺点, 大幅度的扩大了负载的适用范围, 即使在轻载的工作环境下也能实现4个主开关管的软开关, 实现了真正意义上的全程ZVS . 同时副边钳位电路的存在, 也减小了占空比的损失23.4. 2 带抽头电感的软开关FB-P WM 变换

15、器在变换器拓扑里利用一个抽头电感滤波器, 扩大了软开关负载范围. 而没有使用附加的谐振电路和(或 辅助开关器件, 就可以大大减小电路中的环流量24.如图9所示, 抽头电感滤波器用在变换器输出端, . 29第28卷第12期 陈 柬, 等: 移相全桥软开关变换器拓扑分析于无源钳位元件整流电压当悬空时钳位在正极. 因此, 整流二极管(二者之一 就反向偏置, 输出电感电流流过悬空端的悬空二极管D 7. 于是通过变压器和初级电路的环路电流就得到了抑制. 开关Q 3开通时工作在ZVS 和ZCS 状态, 关断时工作在ZVS 状态; Q 4开通和关断时都工作在ZCS 状态 .图9 带抽头电感的软开关PS-P

16、WM 变换器4. 3 隔离交错的移相ZVS-P WM 变换器为了实现高容量的功率密度, 低的电磁干扰(E M I 和低成本, 介绍一种新型隔离交错的移相ZVS-P WM 变换器. 它由2个半桥组成, 不用辅助电路即可实现ZVS25. 如图10所示, 有并联型和串联型2种. 变压器T 1和T 2具有相同的变比, 并考虑励磁电感和漏感. 通过变换器2个支路之间的电压移相而控制功率传输, 每个支路工作半个周期. 在这种方式下, 就可以保证高频变压器的退磁. 通过分析移相控制的一个周期的工作状态, 以看出开关控制是交错式的. 除此之外, 所有的开关管都可以工作在Z VS.图10 移相ZVS-P WM

17、变换器5 结 论移相FB -ZVS-P WM 变换器适合于高频、大功率、开关器件采用MOSFET 的应用场合. 但副边存在占空比丢失, 具有大的导通损耗, 归根结底是因为电路拓扑, 开关管选型, 电路参数匹配, 控制方式等方面存在不足, 这是以后深入研究的方向. 移相FB -Z VZCS -P WM 变换器更适用于大功率场合, 比较适合I GBT . 移相FB-ZCS-P WM 变换器比前二者具有更好的应用前景, 但目前尚处于研究阶段. 其它新型电路都有其各自突出的特点, 具有很大的实际用途. 参考文献:1 杨旭, 赵志伟, 王兆安. 全桥型零电压软开关电路谐振过程的研究J.电力电子技术, 1

18、998, 35(3:36-39. 2 刘宁庄, 伟力. 移相控制全桥变换技术的理论分析与计算机仿真J.现代电子技术, 2002, (10:100-101. 3 AYDE M I R M T, BENDRE A. A Cr itical Eva l uati on of H i ghPo w er H ard and Soft S w itched Iso l ated DC -DC ConvertersJ.IEEE T rans P E , 2002, 17(7:1138-1345.4 FUENTES R C, H E Y H L . A F a m ily o f So ft -s w it

19、ch i ng DC -DC P o w er Conve rters to H i gh Pow er A ppli cationsJ.I EEE T rans P E, 1996, 5(4:268-264.5 S M I TH K M, S M EDLEY K M. A Co mparis on o fV o ltage -m odeSoft -s w i tch i ng J .IEEE T rans P E ,1997,12(2:376-264.6 K I M E S , J OE K Y, KYE M H, e t a. l An I m proved So ftSw itchi n

20、g P WM FB DC /DCConverter for R educi ng Conduc -ti on L ossesJ.I EEE T rans P E , 1996, 5(7:651-656. 7 K I M E S , J OE K Y, C HO I H Y, et a. l A n I m proved So ftSw itchi ng B-i d i recti ona lPS PWM FB DC /DCConverterJ.IEEE T rans P E , 1998, 10(7:740-743.8 BENDRE A, NORR IS S , D I VAN D, et a

21、. l N e w H i gh Pow erDC -DC Converter w it h L oss L i m ited Sw itch i ng and Lo ssless Seconda ry C la mp J.IEEE T rans P E ,2003, 18(4:1020-1027.9 王聪. 软开关功率变换器及其应用M .北京:科学出版社, 2000.10 赵靖辉, 刘兆. 常规FB -ZVS -P WM 变换器的改进J.三门峡职业技术学报, 2002, 2(1 :63-66.11 AYYANAR R , MOHAN N. N ovel So f-t s w i tch i

22、ng DC -DC Con -verter w it h Fu llZVS -range and R educed F il ter R equire mentJ.IEEE T rans P E , 2001, 16(2:184-192.12 STE I GERW ALD R. A R ev ie w o f So ft -s w itch i ng T echn i quesi n H i gh Perfo r m ance DC P ower SuppliesJ.IEEE T rans P E , 1995, 4(9:1-7.13 阮新波. 零电压零电流开关P WM DC /DC 全桥变换

23、器的分析J.电工技术学报, 2000, 15(2:73-77.14 吕照瑞, 张俊洪, 赵镜红. 全桥P WM ZV ZCS 变换器电路的分析设计J.电力电子技术, 2003, 37(5:36-38.15 王聪. 一种简单的ZV ZCS 全桥P WM 变换器的分析与设计J.电工技术学报, 2000, 15(6 :35-39.16 C HO J G, SABATE J A, HUA G, et a. l Z ero -vo ltage andZ ero -current Sw itchi ng Fu l-l bridge P WM Conv erter for H i gh P o w er A

24、ppli cationsJ.IEEE T rans P E , 1994, 11(4:622-628.17 盛专成. 一种新颖的PS-ZVZCS P WM 全桥变换器J.电力电子技术, 2001, 35(5:22-24.18 C HO J G, J EONG C Y . Zero -vo ltage and Zero -current S w itc -h i ng Fu l-l bridge P WM Conve rter U si ng Secondary A cti ve C la m pJ.I EEE T rans P E , 1998, 13(4:601-607.19 C HO J

25、G, BAEK J W. N ovel Z ero -vo ltage and Zero -cur -rent -s w itchi ng Ful-l br i dg e P WM Converte r U si ng T rans -for m er A ux iliary W i nd i ng J.IEEE T rans P E ,2000,15(2:250-257.20 C HO I H S . N ove l Zero -vo ltage and Zero -curren t -s w itch i ng(ZVZCS Fu l-l bridge P WM Converter U si

26、 ng Coupled O u-tput Inductor J .IEEE T rans P E ,2002, 17(5:641-648.21 K I M E S , J OE K Y, P ark S G, e t a. l An I m proved ZVZCSP WM FB DC -DC Converte r U sing t he M odified Energy R e -cove ry Snubber J.IEEE T rans P E,2000, 11(2:119-124.22 许峰, 徐殿国, 王健强, 等. 软开关大功率全桥P WM 变换器拓扑结构的对比分析J.电力电子技术,

27、 2002, 36(6:51-53.23 蒋强, 张代润. 轻载或空载时软开关DC-DC 变换器的实现及仿真研究J.四川大学学报, 2003, 35(1:93-96.24 M O ISSEEV S , HAM ADA S , NAKAOKA M, e t a. l Ful-lb ri dge Soft -s w itch i ng P hase -shifted P WM DC -DC Pow er Conve rter U si ng T apped Inducto r F ilte r J.E l ectron i csL ette rs , 2003, 39(12:924-925.25

28、P I NHE I RO J R, BAGG I O J E . Iso l a ted Interleaved Phase -shift PWM DC -DC ZVS Converte rsJ.IEEE T rans P E , 2000, 10(5:2383-2388.Topology Anal ysis of Phase -s hifted Ful-l bridge Soft -s witchi ng ConverterC HEN J i a n, LU Zh i -g uo(Co llege of E lectrica lEng ineeri n g , Chongqi n g Uni

29、versity , Chongq i n g 400030, Ch i n aAbst ract :Phase -sh ifted f u l-l bri d ge (FB sof-t s w itch i n g converters are develop i n g for m t h e basi c phase -shifted FB -ZVS -P WM converter to phase -shifted FB -Z VZCS-P WM converter and phase -shifted FB -ZCS -P WM converter , to a seri e s o f the o