摘 要:介绍一种Boost半桥DC/DC变换器,该变换器中的所有开关都工作于零电压开关状态,可减小开关损耗,提高工作频率,增加功率密度,减小整机的体积。本文分析了它的工作原理、导出了输入输出关系表达式,并给出了仿真和实验结果。
关键词:变换器 脉宽调制 零电压开关
1 引 言
传统的Boost变换器中的功率器件存在较高的电压、电流应力,开关损耗大,使开关频率难以提高。为解决这些问题,近年来国内外提出了许多软开关技术。采用ZVT技术[1],可以减小开通损耗,但主管和辅助管都是硬关断,关断损耗没有明显减小。ZVZCT技术可以解决上述问题[2],但是辅助器件较多,使电路复杂,辅助谐振增加电路损耗。为实现输入输出隔离,文献[3]介绍一种推挽隔离Boost变换器,但其开关应力较大。
本文介绍一种ZVS Boost半桥DC/DC隔离变换器,该变换器利用变压器漏感和辅助电容实现ZVS开关,电路结构简单。
2 电路组成及工作原理
2.1 电路组成
ZVS Boost半桥DC/DC变换器电路原理图如图1所示。其中:L是Boost电感,CC是钳位电容,S1、S2和C1组成半桥电路,C2是S2的结电容和其并联电容之和,L1k是变压器T的漏感,二极管D1~D4构成输出全桥整流电路,Lf 、Cf分别为输出滤波电感和滤波电容,R为负载电阻。
2.2 工作过程分析
分析之前,作如下假设:所有元件都是理想的;输出滤波电感足够大,认为是一个恒流源Io;输出滤波电容Cf足够大,可以认为输出是一个恒压源Uo;钳位电容足够大,认为是一个恒压源Ud。由于电感和变压器两端没有直流压降,因此电容C1两端电压等于输入电压Uin。
电路中主要工作波形如图2所示,在一个开关周期中,变换器共有8种工作模态,其等效电路如图3所示。
(1) 模态1 [t0,t1]:
S1导通,S2关断。电感L储能,同时电容C1通过变压器向负载提供能量,变压器原边电压等于电容C1两端电压,既等于输入电压Uin。
(2) 模态2 [t1,t2]:
t1时刻,S1关断,由于电容C2的存在,S1是零电压关断,其漏源电压Vd1线性增加,到t2时刻,上升到钳位电容CC电压Ud。
(3) 模态3 [t2,t3]:
t2时刻,S2的寄生二极管导通,变压器原边电压等于Ud-Uin,电感L和变压器漏感中的能量向电容CC转移,电感电流iL线性下降,同时变压器原边电流ip线性下降并反向增加到负载电流。在此期间开通S2是零电压开通。
(4) 模态4 [t3,t4]:
在此期间,电感电流大于负载电流,电感L中的能量一部分提供给负载,另一部分转移到电容CC中,iL继续下降,t4时刻等于负载电流。
(5) 模态5 [t4,t5]:
电感电流iL小于负载电流,电容CC通过S1向负载释放能量,此时由电感L和CC共同提供负载能量。
(6) 模态6 [t5,t6]:
t5时刻S2关断,S1两端电容C2与变压器漏感和滤波电感在原边的折算电感谐振,S1的漏源电压Vd1线性下降,S2的漏源电压线性增加,S2是零电压关断。t6时刻,下降到零。
(7) 模态7 [t6,t7]:
变压器原边电流ip大于电感电流iL,电流ip-iL通过S1的寄生二极管流通,在此期间开通S1,是零电压开通。为了使S1有足够的零电压开通时间,电感L应小一些,但是L太小会增加开关的电流应力,设计时应折中考虑。
(8) 模态8 [t7,t8]:
变压器原边电流ip继续下降到零并反向增加到负载电流,电感L电流继续增加,变换器工作状态回到模态1。
根据以上分析,开关S2上流过的电流较小,电流应力小,可以选择小功率的开关器件。而S1流过的电流是电感电流iL与变压器原边电流ip之和,电流应力较大,应选择功率较大的开关器件。开关S1、S2的电压应力与传统Boost相似。
2.3 基本方程
根据电感L伏秒平衡可以得到等式:
(1)
其中:D是S1的占空比
T是开关周期
由式(1)可求得电容CC的电压Ud:
(2)
在S1开通S2关断期间,变压器原边电压:
变压器副边电压: (3)
其中:n是变压器匝比
在S1关断S2开通期间,变压器原边电压:
(4)
变压器副边电压:
(5)
由式(3)、(5)并根据电感Lf的伏秒平衡可以得到等式:
(6)
由式(2)和(6)可求得输出电压表达式:
(7)
由式(7)可见,该变换器的输出电压与占空比D之间呈线性关系,理论上没有最大占空比的限制,使控制电路简单,容易实现。但是该电路在占空比D不等于50%时,变压器存在直流电流偏移,因此设计时应考虑在额定功率输出时,使其工作于50%占空比附近。
3 仿真和实验结果
实验参数:输入直流电压Vin=24V;输出直流电压VO=200V;输出功率200W;变压器原副边匝比N1:N2=3:33;Boost电感L=20mH;变压器原边漏感L1k=1.5mH;输出滤波电感Lf=500mH;钳位电容CC=2.2mF;半桥电容C1=47mF;输出滤波电容Cf=100mF;谐振电容C2=2200pF;开关频率fs=100kHz。
利用Pspice对该电路进行了仿真,图4给出了仿真波形。图5给出了变换器的实验波形。
图5a是开关S1的驱动信号Vg1和漏源电压Vd1波形,可见是零电压开关。图5b是开关S1的驱动信号Vg1和变压器原边电流ip(20A/格)波形。图5c是开关S2的驱动信号Vg2和钳位电容CC的电流iC(20A/格)波形,可见开关S2是在电流通过其寄生二极管给电容CC充电时开通的,因此开关S2是零电压开关。
4 结 论
本文详细分析了ZVS Boost半桥DC/DC隔离变换器的工作原理,通过仿真和实验验证了电路的可行性。实验表明,该电路中的开关是零电压开关,开关损耗小,可以提高工作频率,减小装置体积,增加功率密度。由于输入输出之间有变压器隔离,可通过改变变压器匝比来实现各种输出电压等级的DC/DC变换器,拓宽了其应用领域。
参考文献:
[1] G. C. Hua, C. S. Leu, Y. M. Jiang, F. C. Lee. Novel zero- voltage-transition PWM converter. IEEE Trans. Power Electronics. 1994, 9(2): 213~219.
[2] 林国庆, 张冠生, 陈为. 新型ZVZCT软开关PWM Boost变换器的研究. 电工技术学报, 2000, 15(3): 44~47.
[3] 范桢, 蔡晓勇, 卢飞星, 朱忠尼. 推挽隔离式Boost变换器的分析与研究. 电力电子技术, 2000, 34(2): 23~25.
作者简介:
赵清林 男,1969年12月生,讲师,硕士,主要研究方向为高频功率变换和软开关技术。