摘 要: 提出了一种新型FB-ZVZCS-PWM变换器,它在全桥交换器的基础上在次级增加无源无损错位电路,实现了滞后臂的零电流开关,给出了设计方法和实验结果.
关键词: 直流变换器;环流/零电压零电流开关
正文:
1 引言
移相控制FB-ZVZCS-PWM变换器存在环流问题,而且初级漏感需要有较大的储能才能保证滞后管的零电压导通.在轻载条件下,实现零开关需要较大的初级偏感,而大漏感将会带来较大的占空比损失等问题,使交换器的效率降低,系统损耗增加.曾使用次级钳位网络的方法使变换器在初级电压到零时初级电流迅速下降到零,滞后臂实现了零电流开通,解决了环流带来的损耗,大大减小了占空比损失.但需要增加绕组的增加功率开关管,并会在变压器次级产生较大的电压尖峰.本文提出一种新型的次级钳位FB-ZVZCS-PWM变换器,通过次级引出的中间抽头与电容连接,在二极管的作用下,可在初级续流期间使初级电流迅速下降实现滞后臂零电流开通和关断.与前面提出的次级错的拓扑相比,无需在基本移相控制FB-ZVS-PWM电路的基础上增加功率开关管,也不需要增加饱和电抗器或增加绕组,降低了控制难度和工艺复杂性.同时通过一个钳位二极管的作用使次级电压钳位,降低了次级电压的尖峰.
2 工作原理
新型次级钳位FB-ZVZCS-PWM变换器的拓扑如图1所示.在传统电路的基础上,变压器的次级采用全波整流带中间抽头的结构,中间抽头通过二极管VDC1连接一个电容CC,该电容通过另一个二极管VDC2与变压器次级输出相连.当变换器的能量由变压器的初级转移到次级时CC充电.由于二极管VDC3的钳位作用,CC的电压最大不会超过V0,在CC充电过程中次级电压VREC被钳位在2V0.VDC2在能量传递阶段不会导通.当变压器初级电压下降时,次级的电压VREC也相应下降,当VREC降到小于CC的电压时,VDC2导通,使VREC下降的速度小于初级,次级绕组的电流的下降速度也将小于初级,相当于在初级增加了一个反相的电压,使初级电流迅速降为零,减小了环流的损耗和占空比损失,并使滞后管实现了零电流开通.图3为各开关管的次序图及有关波形图.该电路的详细工作过程分析如下:
(1)模式1(T.~T1):T.时刻VT4导通,在已导通的VT1共同作用下,初级电压由零变为VAB,二极管VD11、CD13导通,变压器初级向次级传递能量.次级的CC通过VDC1以及初级的漏感LLK充电,电容上的电压由零谐振上升至V0.等效电路如图2A.由于对CC从电压为零开始充电,使初级电流上升速度远远大于没有次级钳位电容CC的变换器,减小了因初级漏感带来的占空比损失.CC上的电压、电流分别为:
此过程中,当CC上的电压达到V0时,由于CF较大可以看成为电压源,VDC3开通CC的电压钳位到V0.VREC将是CC上电压的2倍,上升至2 V0.
(2)模式2(T1~T2):T1时刻VDC3导通,LLK上的电流继续谐振,当次级中心抽头上的电流谐振到零后,VDC1关断,此过程中CC上的电压一直钳位为V0,VREC保持为2 V0.
(3)模式3(T2~T3):T3时刻VDC1关断后,VREC的电压恢复为V2(V2=VS/M),初级继续向次级传递能量.由于V2>V0,二极管VDC2不会导通,CC上的电压保持不变.
(4)模式 4(T3~T4):T3时刻 VT1断开,由于VT1并联有C1,VT1的电压不能突变,使VT1实现零电压关断.超前臂上的C1、C2分别通过初级的漏感和次级折算到初级的电感谐振充、放电,使VT2的电压逐渐向零变化.
(5)模式5(T4~T5):变压器初级的电压下降,T4时刻次级VREC
(6)模式6(T2~T6):初级电压谐振到零后,由于CC的作用,二极管VD11、VD13不会马上关断,相当于在初级增加了一个反相的电压,使初级的电流迅速降为零.(等效电路如图2C)此时变压器初级的电流IP和CC上的电压V CC分别为:
(7)模式7(T6~T7):初级电流降为零后,其不再向次级传递能量.由于LF的存在,次级的电流将不变.此时VDC2是导通的,由CC向负载提供能量(等效电路如图2D)CC上的电压相应减小至零.其中:式中V——模式开始时CC上的电压
(8)模式8(T7~T8):T7时刻,CC上的电压减小至零.由LF与CF继续向负载提供恒定的电流与电压.随后,超前臂VT2零电压导通.
(9)模式9(T8以后):此阶段中,滞后回VT4零电流关断VT3零电流导通.电路重复模式1.
3 实验结果
实验采用的电路参数为:变压器变比M=N1:N2＝20:20,初级漏感LLK=15UH,超前往旁路电容C1~C2=9NF,次级钳位电容CC＝220NF,开关频率为 20KHZ.
图4是超前行开关管的驱动电压与开关电压波形,由图可知,超前行是零电压导通和关断.图5、图6分别是有和无次级钳位电路时的变压器初级的电流电压波形,由图可知,使用了次级钳位网络的电路消除了电流环流现象.同时,可以看出使用了次级钳位网络的电路虽然初级漏感取得较大,初级电流变化很快,但占空比损失极小.图7是变压器次级的电压波形和次级钳位电容CC的电压,由图可知,该拓扑电路降低了次级电压的尖峰.
该实验电路使用次级钳位电路前后输入输出功率与效率的对比如下表所示.
拓朴形式 输入功率(W) 输出功率(W) 效率
有次级钳位电路 273.6 232.5 84.98%
无次级钳位电路 289.5 232.5 80.31%
由理论分析和实验结果可知:所提出的新型次级错位网络在传统全桥交换器的基础上无需增加功率开关管和绕组,消除了电流环流现象,减小了占空比损失,提高了变换器的效率,并使次级电压钳位,降低了电压尖峰.
