交错并联有源箝位ZVS-PWM正激变换器的分析与设计

时间：2008-02-15 21:55:00

关键字：正激变换器有源箝位交错并联 ZVS-PWM

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[导读]提出一种交错并联有源箝位ZVS-PWM正激变换器，它的最大优点是负栽从零变化到最大时开关管的损耗非常小。

摘要：提出一种交错并联有源箝位ZVS-PWM正激变换器，它的最大优点是负栽从零变化到最大时开关管的损耗非常小。这种变换器是由两个有源箝位正激变换器共同耦合一个高频变压器构成的，适用于大输入电压、大功率的变换器。分析其工作原理并用一台功率为3 kW的原理样机进行实验验证。
关键词：有源箝位；正激变换器；交错并联技术

1 引言
目前，大部分大功率DC-DC变换器主要采用全桥(FB)ZVC-PWM变换器。这种变换器控制策略简单，并且具有ZVS软开关与PWM硬开关的优点，从而避免了在第一模式下的换流损耗和在第二模式下的开关频率不恒定与较高的导通损耗。然而，这种传统的FB-ZVS-PWM变换器并不适合高电压输入变换器。文中提出了由2个有源箝位ZVS-PWM正激变换器通过变压器耦合的变换器-交错并联有源箝位ZVS-PWM正激变换器。

2 电路稳态原理
图1示出交错并联有源箝位ZVS-PWM正激变换器的工作原理。假设电路工作在稳态，所有元件均为理想元件，输出滤波电感Lo足够大，可以看做是值为Io的电流源。谐振电感Lrl=Lr2=Lr；箝位电容CC1=CC2=CC；谐振电容Crl=Cr2=Cr；变压器漏电感被Lrl、Lr2吸收；Vl=V2=Vi；主开关管S1，S2与辅开关管S3，S4占空比相同。图2示出变换器在半个周期的开关模态，图3示出每个开关模态的主要波形。

2.1 开关模态1(t0-t1)
如图2(a)所示，此阶段能量通过二种途径传递给负载。能量从输入V1通过Sl传递给负载；当CC2通过S4放电时同样也有能量传递给负载。S2、S3这时处于关断，加在S2和S3上的电压等于加在箝位电容器CC1和CC2上的电压。

2.2 开关模态2(t1-t2)
    如图2(b)所示，t1时刻开关管Sl零电压关断，电容器Cr1线性充电。当开关管Sl上的电压达到V1、S3上的电压达到VC-V1时，此阶段结束。
2.3 开关模态3(t2-t3)
    如图2(c)所示，t2时刻，变压器电压为零，Cr1与Lr1开始谐振，输出电流Io开始续流。当开关管Sl上的电压达到VC时，此阶段结束。
2.4 开关模态4(t3-t4)
    如图2(d)所示，t3时刻，二极管D3正向偏置开始导通，流过Lr1开始线性减小；同样，流过Lr2的电流也开始线性减小。在此阶段，负载电流通过Dr1、Dr2仍保持续流。开关管S3必须在二极管D3反向偏置之前导通。当开关管S4关断时，此阶段结束。
2.s 开关模态5(t4-t5)
    如图2(e)所示，当开关管S4关断时，流过Lr2的电流方向如图2(d)箭头所示。电容器以谐振的方式放电，负载电流仍保持续流。当Cr2上的电压为零、二极管D2开始导通时，此阶段结束。
2.6 开关模态5(t5-t6)
    如图2(f)所示，t3时刻，二极管D2正向偏置开始导通。在此模态下S2必须导通。流过Ir2的谐振电流开始线性减小，直到为零时改变方向流过S2。当流过Lr1和Lr2的总电流为-nI时，此模态结束。

3 原理分析
3.1 箝位特性
箝位电压与输入电压的比率(VC/Vi)由加在S1上的平均电压决定。利用回路电压方程得：

3.2 输出特性
根据图3示出的波形，开关管换流时间远小于开关管导通时间，输出平均电压由下式给出：

式中，Vo为输出电压；D为占空比；Vc为箝位电压；Tx为开关周期；n为变压器变比(NS/NP)；△t1为没有能量传递的时间。△t1在半个周期为：

3.3 换流分析
该变换器实现了软开通和软关断换流。
在开通阶段，在开关模态5的换流(主开关管S2开通)变换器在零负载运行时得到下式：

式中，f是开关频率与谐振频率的比，θon是振荡频率的位移角；ton是谐振电容放电时间。谐振电容Cr2放电时间由下式确定：

在关断阶段，主要分析开关模态2与开关模态3时开关管S1的关断。当S1开通时，谐振电容器Cr2充电。同样给出变换器在零负载下运行的公式：

4 实验及结果
    为了验证上述分析的正确性，在实验室完成了一台输出60 V/50 A、2Vi=400 V，功率为3000 W，开关频率为100 kHz的开关电源装置。
4.1 参数计算
    设开关管为理想开关管，Dmax=0.8；△Dmax=0.2。
    变压器的变比由(6)式可得，即：

要确定谐振电容器Cr的值，首先要确定Lr与Cr的振荡频率，Dmin=0.65时，θoff=O.56rad，f=0.1，从式(13)可得

输出滤波的确定与传统全桥变换器计算输出滤波的方法一致，当最大电流纹波△ILO=5 A(10％的Io)，最大电压纹波△Vo=0.48(0.8％的Vo)时，那么

4.2 主要元器件的选择
主开关管Sl和S2选择MOSFET-APT5012LNR辅助开关管S3和S4选择MOSFET-IRFP 460；整流二极管Dr1和Dr2选择HFA50PA60C；箝位电容CC1和CC2选择6μF/400V；谐振电容Cr1、Cr2选择2.7 nF/1.6 kV；Lo选21μH；谐振电感Lrl、Lr2选择3.9μH。其电路图如图4所示。