移相全桥DC/DC变换器的设计与研究

时间：2021-10-27 20:54:21

关键字：移相全桥饱和电感零电压占空比

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[导读]摘要：随着电力电子技术的不断成熟，为了开关电源朝着重量轻、体积小、高频化、高效率的方向发展，文章采用软开关技术来使开关管实现零电压开通或零电流关断，从而提高了效率，减小了电磁干扰。同时发现，带饱和电感的移相全桥DC/DC变换器不仅可以更好的实现零电压开关，而且可以减小占空比的丢失。

引言

目前高功率密度与大容量是变换器发展的主要方向，但是在一些应用场所中，需要的数百伏直流电压是经由数十伏的直流电压变换而来的，然后才能提供给逆变器或负载作为输入电压。就目前的研究现状而言，当DC/DC变换器处于低压大电流下时，变换器的效率不是很理想，并且损耗也相对比较大,再加之它的应用范围很有限，采用的移相控制就是通过对开关元器件实行有效的控制来达到改变占空比，使其达到设计所预计的值，从而改变输出功率值。

1带饱和电感的移相全桥DC/DC变换器

本文设计的全桥移相ZVS-PWMDC/DC变换器是基于上述不足而设计出的带饱和电感的电路，它是在其支路上增加一个辅助网络，可让功率开关管在重载下完成ZVS，设计的这种带支路的全桥变换器在小功率应用场所比较有优势。图1所示就是带辅助谐振网络的移相全桥DC/DC变换器的电路图。

图1 带辅助谐振网络的移相全桥DC/DC变换器

2电路参数的设计

本变换器主要的设计指标如下：输入直流电压:200~373V，50Hz；输出电压：24V（稳压型）；输出电流：20A；开关频率：100kHz；最大输出功率:500W。

2.1变压器的设计

变压器的副边电压：

VD是整流二极管的导通压降，VD=1.5V；VLf是输出滤波电感直流压降，VLf=2V。

全桥电路中变压器存在死区和占空比，所以占空比取为0.85。变压器的副边绕组输出功率为：

变压器的功率为：

变压器的原副边变比为：

2.2功率开关管的选择

根据输入电压最大值为373V,留足裕量的话，就取额定电压为500V,这样，变压器原边电流与匝比相比，就会得到开关管的额定电流，额定电流选为3.08A.同样考虑到裕量问题，本文选择500V/8A的MOSFET管。

2.3输入滤波电路的设计

通常情况下，依照人们长期总结得出的经验算法：当输入的交流电最小时，而最小输入交流电压最大值的20%~25%,等于经过输入整流滤波后的直流电压脉动值Vpp.可以按照下面的步骤来设计出的取值:

（1）经过整流滤波后的直流电压最大脉动值：单相输入

（2）整流滤波后直流电压为

（3）输入功率

Vin(min)是经过输入整流滤波后的直流电压最小值，在任何一个周期过程中Cin传送的能量大概为：

式中，A是输入交流电压的相数，单相时A=1，三相时A=3；Pin表示输入功率；fmin是交流电网的输入最小频率。

滤波电容为：

经过整流后得到的直流电压最小值为：

整流管承受的最大反向电压为：

因为在电路中涉及电压振荡的可能，所以在选择时就要对它的取值范围有所放宽，实际取值时就取为它的2倍，整流管的电压就取168V，而它的电流就取为：

2.4Lr与Cr的确定

Lr与Cr的值可以按如下公式来确定：

式中，Ag是sinω1t在t1时刻的值。

要实现移相全桥滞后桥臂的零电压开关，需同时满足上面这三个式子，但是实际上我们只用了这三个中的前面两个，只要满足了前面两个式子，自然而然第三个也同样满足。可以从式（1）~（3）得出：

2.5输出滤波电路的设计

要想让电感一直处在电流连续模式的情况下，换句话说就是给它一个最小的输出电流，而在这种情形下电感依旧处在连续的状态下。可从下式得出系统电路输出滤波电感Lf：

公式中的具体参数如下：Vin为系统电路中的输入电压，fLf是LC滤波器工作频率，fLf=2fs；Io(ccm)为在允许范围内的电流纹波，那么当输出滤波电感的电流处在连续模式下时，它的电流就等于全载的10%，所以把这个式子代入得到：

而变压器副边输出滤波电容与开关电源输出波纹电压峰峰值的大小有关联，在通常情况下，通过下式可以计算出变压器副边的输出滤波电容。

2.6隔直电容的选择

由公式得：

3移相全桥DC/DC变换器小信号建模

图2所示是本文给出的移相全桥DC/DC变换器小信号模型。

在基于Buck电路小信号模型的基础上建立移相全桥DC/DC变换器的小信号等效模，得到移相全桥直流/直流变换器的传递函数：

通过劳斯判据计算得出两个零点位于Y轴的左半平面，该系统稳定。

4改进型的PID控制

对移相全桥零电压DC/DC变换器进行系统仿真的具体参数可利用上面章节中的计算值，并利用图3所示的模糊PID控制下的移相全桥DC/DC变换器的模型搭建。

在基于移相全桥DC/DC变换器模型的前提下，设计出模糊PID控制的移相全桥DC/DC变换器模型，如图3所示。对此模型进行仿真，得到了输出电压、输出电流的波形图，如图4所示。在前面给出了变换器设计的参数输出电压为24V、输出电流为20A，从输出电压和输出电流的仿真波形可以看出，得到了预期的目标结果，故可验证此设计的正确性。