ZVS半橋DC-DC變換器的研制

楊文鐵 楊勇 耿攀 徐正喜

（武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，武漢 430064）

1 引言

為了減小變換器的體積和重量，必須實(shí)現(xiàn)高頻化，要提高開關(guān)頻率，同時提高變換器的效率和功率密度，就必須有效抑制開關(guān)損耗，采用軟開關(guān)技術(shù)。移相全橋 DC-DC變換器可實(shí)現(xiàn)所有開關(guān)管的ZVS[1,2]，但全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)開關(guān)數(shù)量多，控制及驅(qū)動復(fù)雜。半橋變換器結(jié)構(gòu)簡單，目前常見有的對稱半橋和不對稱半橋兩種控制方式，分別存在開關(guān)器件無法實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)和上下橋臂脈寬不等的缺陷[3,4]。本文采用一種移相 PWM 控制的半橋 DC-DC變換器，可實(shí)現(xiàn)一個開關(guān)管的ZVS，同時實(shí)現(xiàn)另一個開關(guān)管軟開關(guān)，控制簡單，結(jié)構(gòu)更優(yōu)化[5]。本文將首先分析ZVS半橋DC-DC變換器工作原理，介紹半橋變換器ZVS的實(shí)現(xiàn)策略，然后在此基礎(chǔ)上給出了變換器的數(shù)字雙環(huán)控制方法，最后通過仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了變換器的性能。

2 工作原理分析

半橋DC-DC變換器的主電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，通過諧振電感與電容的串聯(lián)諧振，可實(shí)現(xiàn)下管ZVS開關(guān)，上管軟開關(guān)。

圖1 半橋DC-DC變換器主電路

半橋結(jié)構(gòu)中由于兩個電容中點(diǎn)電位 A的浮動，會使VC1TS1ON=VC2TS2ON，因而電路有自動平衡變壓器電壓伏秒值的作用，故無需隔直電容。

半橋變換器在一個周期中的工作模式如圖 2所示。

模式 1（t1＜t＜t2）：在t1時刻之前，S1處于導(dǎo)通狀態(tài)，負(fù)載能量由電容 C01經(jīng)變壓器變換后供給，次級DR1導(dǎo)通。S1在t=t1時刻關(guān)斷，原邊電流ip從 S1中轉(zhuǎn)移到 C1和 C2支路中，給 C1充電，同時 C2被放電。由于 C1和 C2的存在，S1是軟關(guān)斷。此階段，由于iLf繼續(xù)按原方向流動，故副邊繞組 W21和原邊繞組 W1中的電流也按原方向流動。變壓器原邊電流由副邊電流支配，因此，在負(fù)載電流足夠的情況下，C2兩端的電壓可降到零，從而為S2的ZVS開通創(chuàng)造了條件。通過加大諧振電感、電容值也可在小負(fù)載條件下實(shí)現(xiàn)ZVS。

圖2 變換器工作波形

模式 2（t2＜t＜t3）：當(dāng) C2兩端的電壓在t=t2降到零時，與 S2并聯(lián)的體二極管 D2自然導(dǎo)通，即為S2的ZVS開通創(chuàng)造了條件。在這個階段，由于二極管D2續(xù)流導(dǎo)通，因此vAB極性反轉(zhuǎn)，使DR2導(dǎo)通。由于兩個整流管同時導(dǎo)通，將變壓器副邊電壓箝位在零位，那么原邊電壓也為零，因此vAB=0。

模式 3（t3＜t＜t4）：在t=t3時刻，S2為 ZVS開通，vAB反向，變壓器繞組電勢“非*”端為正，ip從零反向增加到-iLf W2/W1。iDR1從1/2iLf降到零，iDR2從零增加到 1/2iLf。此時，副邊整流管 DR2導(dǎo)通，DR1關(guān)斷。負(fù)載能量由電容 C02經(jīng)變壓器變換后供給。

模式 4（t4＜t＜t5）：S2在t=t4時刻關(guān)斷，變壓器原邊的工作模式正好和模式1中相反，此時，C2充電，C1放電，S1為軟關(guān)斷。

模式 5（t5＜t＜t6）：此階段電路的工作模式與模式2正好相反，變壓器原邊電壓被箝位在零，原邊電流從反向最大減小到零。

模式 6（t6＜t＜t7）：當(dāng)變壓器原邊電流減小到零時，此時S1未開通，即原邊兩個開關(guān)管均處于關(guān)斷狀態(tài)，又副邊兩個整流管均處于導(dǎo)通狀態(tài)，平分負(fù)載電流。此時，變壓器原邊的均壓電容、諧振電感、諧振電容及變壓器漏感會形成振蕩回路，而且體二極管也可能會參與振蕩，這樣會加劇振蕩，同時體二極管還會產(chǎn)生反向恢復(fù)損耗。當(dāng)S1、S2兩端的電壓相等時，變壓器原邊的振蕩結(jié)束。副邊 DR1、DR2保持導(dǎo)通狀態(tài)。在t=t7時刻，S1導(dǎo)通，不同負(fù)載條件下，S1可在不同的VC2電壓下開通，開始下一個周期。

3 PWM控制策略

半橋變換器采用帶負(fù)載電流前饋的電感電流內(nèi)環(huán)電壓外環(huán)的雙環(huán)控制策略。

圖3 雙環(huán)控制原理圖

圖3示出了變換器雙環(huán)控制的基本原理，內(nèi)環(huán)控制輸出濾波電感電流，外環(huán)控制輸出電壓，且均采用PI控制，提高了系統(tǒng)響應(yīng)速度。電路工作過程是：輸出電壓Uout經(jīng)采樣系數(shù) H后變?yōu)閁o作為電壓誤差放大器的反相輸入端信號與給定電壓Uref進(jìn)行比較，輸出的誤差電壓信號Ue接至電流誤差放大器的同相端，作為輸出電感電流反饋的控制信號Ue。將帶有鋸齒紋波狀分量的輸出電感電流反饋信號Ui接至電流誤差信號放大器的反相端，跟蹤電流控制信號Ue。Ui與Ue的差值經(jīng)過電流誤差放大器放大后，得到平均電流跟蹤誤差信號Uc。再由Uc及-Uc分別與三角鋸齒波信號通過比較器比較得到 PWM 波控制信號。PWM調(diào)制波如圖 4所示，由于鋸齒波的下降時間很短，S1驅(qū)動脈沖的下降沿與S2驅(qū)動脈沖的上升沿間隔時間極短，此時只要保證死區(qū)時間大于圖2中t2-t1的時間，即可實(shí)現(xiàn)S2零電壓開通。同時，當(dāng)誤差信號Uc變化時，S1驅(qū)動脈沖的上升沿向左或右移動，相應(yīng)的S2驅(qū)動脈沖的下降沿向右或左移動，則調(diào)制信號脈寬大小變化，從而控制輸出電壓的大小，而且S1、S2驅(qū)動脈寬相等，即兩開關(guān)管所承受的應(yīng)力相同，所以在這種開關(guān)方式控制下，半橋變換器適合寬范圍的輸入電壓。同時，由于有了電流環(huán)，可實(shí)現(xiàn)多臺變換器的并聯(lián)運(yùn)行，易于實(shí)現(xiàn)模塊化。

圖4 PWM調(diào)制波

4 仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證以上分析及PWM控制策略設(shè)計(jì)的正確性，進(jìn)行了相關(guān)的仿真與試驗(yàn)。S1開關(guān)過程的仿真與試驗(yàn)波形分別如圖5、圖6所示，由圖可以看到，S1為軟開關(guān)。S2開關(guān)過程的仿真與試驗(yàn)波形分別如圖7、圖8所示。由圖可以看到，S2實(shí)現(xiàn)了ZVS開通。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析一致，故這種開關(guān)方式的半橋變換器開關(guān)損耗小，利用實(shí)現(xiàn)高頻化控制。

圖5 S1開關(guān)過程仿真波形

圖6 S1開通實(shí)驗(yàn)波形

5 結(jié)論

本文對一種采用移相 PWM 控制的半橋DC-DC變換器進(jìn)行了研究，并給出變換器的PWM 控制策略。該半橋變換器可實(shí)現(xiàn)開關(guān)器件的ZVS，利于高頻化，進(jìn)一步提高變換器的功率密度和效率。變換器采用雙環(huán)控制，利于實(shí)現(xiàn)模塊的并聯(lián)運(yùn)行。整個裝置控制簡單，實(shí)用性強(qiáng)。

圖7 S2開關(guān)過程仿真波形

圖8 S2開通實(shí)驗(yàn)波形

[1]阮新波, 嚴(yán)仰光.直流開關(guān)電源的軟開關(guān)技術(shù). 北京:科學(xué)出版社, 2000

[2]G.. Hua, F. C. Lee, M. M. Jovanovie. An improved full-bridge zero-voltage-switched PWM converter using a saturable inductor. IEEE Trans. Power Electron, vol. 8, No. 4, 1993: 530～534.

[3]Chen Weiyun, Xu Peng, Lee F C. The Optimization of Asymmetric Half-bridge Converter[A]. Sixteeth Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition. APEC/CI. 2001,2: 703-707.

[4]J. Sebastian, J. A. Cobos, O. Garcia, and J. Uceda, An overall study of the half-bridge complementarycontrol DC-to-DC converter, IEEE PESC 1995:1229-1235.

[5]Hong Mao, Jaber Abu-Qahouq , Member, Shiguo Luo,and Issa Bataresh, Senior Member, IEEE Zero-Voltage-Switching Half-Bridge DC-DC Converter With Modified PWM Control Method. IEEE Trans.Power Electron, vol. 19, No. 4, 2004: 947～957.