电感分裂式推挽换向软开关技术的研究

2万 · 2013-12-26 20:23

1引言

　　推挽电路因控制简单、无直通现象等优点，在中、低电压输入变换器中得到广泛应用，但推挽电路中两个开关管处于硬开关状况，随着开关频率的增高，开通功耗较大[1]。桥臂换向软开关在桥式变换器（包括半桥变换器）中得到广泛应用，如移相全桥软开关电路[2]，但桥臂换向软开关无法在推挽电路中应用，虽然文献[3],[4]对推挽软开关作过探讨，但它只能应用于双管推挽电路，且增加一只开关管的导通损耗，这对低电压输入的推挽电路是不适宜的。

　　针对这种情况，本文通过分裂次级直流滤波电感，再将其等效到初级实现推挽电路的零电压开通软开关技术。

　　2电路拓朴结构及工作原理

　　2．1主电路拓朴结构

　　电感分裂式推挽换向软开关的主电路结构及其开关管的控制方式如图1（a）及图1（b）所示。它与一般的推挽电路不同之处有两点：一是次级滤波电感分裂为两个（L1=L2=L），二是变压器次级给出两个去磁绕组LN3、LN4，它与V3、V4、L1、L2一起构成去磁回路。

(a)主电路图

(b)开关管的控制信号

图1主电路及开关管的控制信号图

2万 · 2013-12-26 20:24

　2．2工作原理

　　其电路可分为如下几个工作过程：

　　（1）t0～t1阶段，即开关管S1导通期间，变压器次级LN2产生下正上负的感应电压，变压器向负载传输能量，此时变压器次级LN2、二极管V2、电感L2和负载形成回路。t1时刻，S1关断，S1两端电压被电容C1箝位不能突变，所以S1是软关断。

　　（2）t1～t2阶段，t1时刻，S1关断，LP2、GB、V6形成初级励磁泄放回路。同时在LN3两端产生上正下负的感应电压，此时二极管V3导通，电感L2、与负载R和变压器次级LN3形成iL2续流回路。t2时刻，S2被驱动。设此时iL2电流未泄放到零，初级V6仍为导通状态，S2两端电压为零，是零电压开通。

　　（3）t2～t3阶段，仍是iL2续流阶段，t3时刻，iL2泄放完毕。

　　（a）t0～t1阶段(b)和t1～t1阶段

　　（4）t3～t4阶段，t3时刻，iL2=0，LP2上电流换向，变压器次级绕组LN1两端产生上正下负的感应电压，二极管V1导通。

　　t4时刻以后，重复上半周工作过程。

　　综合上述过程，可以看出该电路实现软开关的基本原理及特点：

　　（1）在S1、S2都不导通期间（t1～t2,t4～t5），L1（L2）的续流电流耦合到初级，形成V5、V6换向电流，这个电流能维持到S1、S2的驱动脉冲到来，就可以实现零电压开通。

　　（2）分裂的L1、L2电流叠加对负载为连续状态。故L1、L2的综合效果是一直流滤波电感，但单个电感L1或L2的电流在整个周期是不连续的，在S1或S2开通期间呈交流电感性质，所以它和桥臂换向性串联在初级的电感所起的作用一样。

　　3基本关系式

　　3．1主要关系式

　　依据上述电路的工作过程，得到各换向阶段的等效电路如图2所示。

图2主电路的等效拓朴结构

2万 · 2013-12-26 20:24

　（1）t0～t1阶段：变压器传输能量阶段，此时的等效拓朴结构如图2（a）所示。RC图中是变压器初级漏感和次级电感的等效电感，为变压器次级负载折合到初级的等效负载，为变压器次级电容折合到初级的等效电容，则流过等效负载和等效漏感的电流iL2满足方程：(1)

　　电路的初始条件为：iL2（t0）=0UC（t0)=Umin

　　可求得该电路的解为：(2)式中

　　（2）当t1～t3阶段：续流阶段，其等效电路为图2（b）所示。

　　次级回路的状态方程为：（3）

　　边界条件：iL（t2）=ILP，uC（t2）=UOP（ILP为峰值电流，UOP为峰值电压）。若电路是理想的，即，这里假设uC（t）=常数,则求解式（3）得到：（4）

　　iL2的续流时间为：(5)

　　3．2问题及分析

　　（1）由式（5）可以看出，只要△t>(t3－t1)时,电路就可实现零电压软开关技术。

　　（2）由等效电路图2（b）及式（2）可以看出L1（L2）在电路中实质上起到了桥臂换向中的换向交流电感作用，因此它也存在占空比丢失问题[4]。

　　（3）由于L1（L2）的开通电流与续流电流的等效回路参数基本相同，当NLN3=NLN1=NLN2时，极易造成初级S1（S2）电流为锯齿波电流，它加大了开关器件的电流应力。虽然可以通过改变(NLN1/NP)的比值来改变续流时间△t，但不是理想办法。如何构造一个可控的电感L1（L2）是该电路进一步改进的方法。

2万 · 2013-12-26 20:24

4仿真结果

　　为了检验本文提出的电感分裂式推挽换向软开关电路的工作状况，运用PSPICE电子线路仿真软件进行了仿真。

　　仿真所用电参数为：

　　电感L1=L2=0．1mH，电容C5=C6=0．6μF，负载R=10Ω。

　　图3给出了仿真时开关管的电压、电流及S2的驱动波形。图4给出了开关管的功率损耗波形及输出平均功率波形。

图3相关的电压、电流和驱动波形

图4开关管功耗与负载功率

2万 · 2013-12-26 20:25

由图3（d）可以看出开关管的电压为零时，开关管才开通，即零电压开通，此时如图3（b）所示开关管电流为零，图3（c）为变压器次级电感LN3的电压波形，图3（a）为电感L1、L2的电流波形，可以看出电感电流在换向期间，变压器次级电压的变化情况。

　　图4为开关管的功耗分析，从图4（a）及（b）可以看出，当开关管开通时，开关管功耗为零，计算图4（a）及（b）的功耗，其开关管的功耗很小，可见其效率很高。

　　5结论

　　本文提出的这种电感分裂式推挽换向软开关技术，具有其优点，特别适用于中、低功率场合，但由于存在占空比丢失现象，如何形成可控电感L1（L2），有待于进一步研究。由图3（d）可以看出开关管的电压为零时，开关管才开通，即零电压开通，此时如图3（b）所示开关管电流为零，图3（c）为变压器次级电感LN3的电压波形，图3（a）为电感L1、L2的电流波形，可以看出电感电流在换向期间，变压器次级电压的变化情况。

　　图4为开关管的功耗分析，从图4（a）及（b）可以看出，当开关管开通时，开关管功耗为零，计算图4（a）及（b）的功耗，其开关管的功耗很小，可见其效率很高。

　　参考文献

　　1关宇东，张群.PWM相位调制集成片ML4818及其应用.电力电子技术，1995；（2）

　　2张国安，朱忠尼.一种新型的移相推挽式软开关技术的研究.全国电工技术年会电力电子学会第6次全国学术会议文集

　　3张国安、朱忠尼一种双管推挽谐振软开关研究电力电子技术1997;(4)

　　4杨旭，王兆安.一种零电压过渡全桥软开关电路的研究.全国电工技术年会电力电子学会第6次全国学术会议文集

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