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一种新颖的ZVZCS PWM全桥变换器

时间:2007-1-20栏目:电子通信论文

  摘要:提出了一种新颖的零电流零电压开关(ZCZVS)PWM全桥变换器,通过增加一个辅助电路的方法实现了变换器的软开关。与以往的ZCZVSPWM全桥变换器相比,所提出的新颖变换器具有电路结构简单、整机效率高以及电流环自适应调整等优点,这使得它特别适合高压大功率的应用场合。详细分析了该变换器的工作原理及电路设计,并在一台功率为4kW,工作频率为80kHz的通信用开关电源装置上得到了实验验证。
  关键词:全桥变换器;零电压开关;零电流开关;软开关;脉宽调制
  
  引言
  
  移相全桥零电压PWM软开关(PSFBZVS)变换器与移相全桥零电压零电流PWM软开关(PSFBZVZCS)变换器是目前国内外电源界研究的热门课题,并已得到了广泛的应用。在中小功率的场合,功率器件一般选用MOSFET,这是因为MOSFET的开关速度快,可以提高开关频率,采用ZVS方式,就可将开关损耗减小到较为理想的程度[1]。而在高压大功率的场合,IGBT更为合适。但IGBT的最大的缺点是具有较大的开关损耗,尤其是由于IGBT的“拖尾电流”特性,使得它即使工作在零电压情况下,关断损耗仍然较大,要想在ZVS方式下减少关断损耗,则必须加大IGBT的并联电容。然而由于轻载时ZVS很难实现(滞后臂的ZVS更难实现),因此ZVS方案对于IGBT来说并不理想。若采用常规的移相全桥软开关变换器,其优点是显而易见的,即功率开关器件电压、电流额定值小,功率变压器利用率高等,但是它们却也存在着各种各样的缺点:有的难以适用于大功率场合;有的要求很小的漏感;有的电路较为复杂且成本很高[2][3][4][5][6]。
  
  本文提出了一种新颖的ZVZCSPWM全桥变换器,它能有效地改进以往所提出的ZVZCSPWM全桥变换器的不足。这种变换器是在常规零电压PWM全桥变换器的次级增加了一个辅助电路,此辅助电路的优点在于没有有损元件和有源开关,且结构简单。次级整流二极管的电压应力与传统PWM全桥变换器相等,而ZCS具有最小的环路电流值。电流环能够根据负载的变化情况自动进行调整,从而保证了负载在较大范围内变化时变换器同样具有较高的效率。
  
  1工作原理
  
  该ZVZCSPWM全桥变换器主电路如图1所示。它是在传统的零电压PWM全桥变换器的次级增加了一个辅助电路,同时,该变换器还采用了移相控制方式。在图1中,S1和S3分别超前于S4和S2一个相位,称S1和S3组成的桥臂为超前臂,S2和S4组成的桥臂为滞后臂。C1和C3分别是S1和S3的外接电容。Lr是谐振电感,它包括了变压器的漏感。每个桥臂的两个功率管成180°互补导通,两个桥臂的导通角相差一个相位,即移相角,通过调节移相角的大小来调节输出电压。超前臂开关管实现零电压导通和关断的工作原理与ZVSPWM全桥变换器相同,而滞后臂开关管是通过辅助电路来实现零电流导通和关断的,由于输出电感的储能用来实现超前臂开关管的ZVS,所以可以用外接电容来减小开关损耗。通过对Ch放电,流过变压器的原边电流在谐振周期内减小到零,从而实现了滞后桥臂的ZCS。
  
  为了便于分析变换器的稳定工作状态,而作如下假设:
  
  ——所有开关管、二极管、电容、电感均为理想元器件;
  
  ——输出滤波电感Lf足够大,在一个开关过程中可以等效为一个恒流源。
  
  

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