一種改進(jìn)型不對(duì)稱半橋變換器的仿真研究

張 紅

(湖南理工學(xué)院 計(jì)算機(jī)學(xué)院,湖南 岳陽(yáng) 414006)

引言

在當(dāng)今社會(huì),各種電子設(shè)備廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中,因此提高電子設(shè)備的供電系統(tǒng)效率、節(jié)省能源和降低電子設(shè)備對(duì)大氣環(huán)境的污染是人們不可忽視的問題.對(duì)于電子設(shè)備廣泛應(yīng)用的供電設(shè)備—開關(guān)電源,其中開關(guān)電源中應(yīng)用非常廣泛的不對(duì)稱半橋變換器主要應(yīng)用于輸出功率不超過(guò)一千瓦的小功率應(yīng)用場(chǎng)合,但是普通不對(duì)稱半橋變換器存在的缺點(diǎn)是上下管不對(duì)稱,使得上下管開關(guān)條件不一致,導(dǎo)致變壓器效率低下以及軟開關(guān)失敗等問題[1～4].針對(duì)不對(duì)稱變換器存在的缺點(diǎn),本文研究了一種改進(jìn)型的不對(duì)稱變換器,詳細(xì)分析了其工作原理并在Pspice中進(jìn)行了仿真驗(yàn)證.

1 改進(jìn)型不對(duì)稱半橋變換器的工作原理

圖1為普通的不對(duì)稱半橋變換器,主開關(guān)S1和S2分別接在直流輸入電源Uin,另外主開關(guān)S1和S2的中點(diǎn)B連在變壓器的初級(jí)繞組一端,變壓器次級(jí)繞組連在開關(guān)S2的A點(diǎn),其中主開關(guān)S1和S2在一個(gè)周期內(nèi)輪流導(dǎo),通其詳細(xì)的工作原理見參考文獻(xiàn)[1].本文研究了一種新的不對(duì)稱半橋電路,是由傳統(tǒng)不對(duì)稱變換器改進(jìn)得到的.在圖1的傳統(tǒng)不對(duì)稱半橋變換電路中增加兩個(gè)輔助元器件:場(chǎng)效應(yīng)管 S3和快恢復(fù)二極管 D3,由S3和D3構(gòu)成一個(gè)輔助的支路,與主開關(guān)管S2所在的電路并聯(lián),其具體電路結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖1 普通型不對(duì)稱半橋變換器電路圖

圖2 改進(jìn)型不對(duì)稱半橋變換器電路圖

改進(jìn)型不對(duì)稱半橋變換器的工作原理圖由十個(gè)階段組成[3,4],其工作模態(tài)和工作波形分別如圖3和圖4所示[5～7].

(1)Mode1 [t0～t1] 在 t0時(shí)刻之前,假設(shè) S3關(guān)斷,在 t0時(shí)刻開通,S1實(shí)現(xiàn)零電壓PWM開通.S1開通后,變壓器原邊ip電流降低為零然后反向升高.這個(gè)時(shí)候初級(jí)繞組電流ip折算到次級(jí)繞組的等效電流是低于i1,因此變壓器初級(jí)繞組的能量還不能向次級(jí)繞組傳遞,次級(jí)繞組會(huì)出現(xiàn)占空比丟失現(xiàn)象,此時(shí)電路有如下關(guān)系式:

(2)Mode2 [t1～t2] 當(dāng)變壓器初級(jí)繞組電流ip上升到nip大于ip后,整流二極管D1立即導(dǎo)通,同時(shí)二極管D2立即關(guān)閉.

與Mode1相比,變壓器初級(jí)繞組電流ip上升率非常平穩(wěn),此時(shí)有如下關(guān)系成立:

設(shè)時(shí)t=t1,這個(gè)時(shí)候流過(guò)S1管的電流 is1等于Ip,該模態(tài)結(jié)束時(shí)諧振電感的電流iLr為:

(3)Mode3 [t2～t3] t2時(shí)刻開關(guān)管S1關(guān)斷,初級(jí)繞組電流繼續(xù)按先前摸態(tài)電流繼續(xù)導(dǎo)通,變壓器初級(jí)繞組電流iP給電容C1充電,與此同時(shí)初級(jí)繞組給電容C2放電,UC1不斷下降直到零,為S2的零電壓開通提供軟開關(guān)開通條件,與此同時(shí) UC1則上升到Uin,因此S1實(shí)現(xiàn)軟關(guān)斷.

(4)Mode4 [t3～t4] 當(dāng)變換器的電容C2電壓降為零時(shí),S2通過(guò)自身所并聯(lián)的二極管導(dǎo)通繼續(xù)導(dǎo)通,它的作用是保持 UC2為零的狀態(tài)不變.此時(shí)副邊為了保持輸出電流I0不變,變壓器次級(jí)繞組D1和D2同時(shí)開通,變壓器次級(jí)繞組可等效短路狀態(tài),因此變壓器初級(jí)繞組的電壓全部承受在變壓器的漏感上,使得變壓器初級(jí)繞組的電流ip損耗會(huì)減小,從而提高變換器系統(tǒng)的效率.

(5)Mode5 [t4～t5] 在t4時(shí)刻S2實(shí)現(xiàn)零電壓PWM開通,變換器主開關(guān)S2開通后,電容C1兩端升高電壓一直保持為Uin.與此同時(shí)變壓器初級(jí)繞組電流ip降低到零后開始反向,但在原邊初級(jí)繞組電流ip折算到次級(jí)繞組的電流值小于i2期間,次級(jí)繞組整流二極管D1和D2仍然同時(shí)導(dǎo)通,此時(shí)初級(jí)繞組不向次級(jí)繞組邊傳遞能量,因此有:

(6)Mode6 [t5～t7] 變壓器初級(jí)繞組電流ip繼續(xù)增大,當(dāng)滿足nip大于ip的條件時(shí),整流二極管D1關(guān)斷,變換器只能通過(guò)二極管 D2向次級(jí)繞組傳輸能量.當(dāng)S2開通后,同時(shí)開通 MOS場(chǎng)效應(yīng)管S3.雖然S3開通,但是由于快恢復(fù)二極管D3兩端施加的電壓為反向,因此二極管D3沒有導(dǎo)通,該電路沒有電流流過(guò).此時(shí)有式(7)成立:

(7)Mode7 [t7～t8] 在t7時(shí)刻S2關(guān)斷,變壓器初級(jí)繞組電流ip給C1放電,同時(shí)給C2充電.

(8)Mode8 [t8～t9] 在滿足 UC2大于 UCb的條件時(shí),快恢復(fù)二極管 D3兩端承受受正向電壓而導(dǎo)通,變壓器初級(jí)繞組ip經(jīng)輔助MOS管S3和二極管D3續(xù)流,這樣諧振電感電流繼續(xù)在電路中流通,讓S3實(shí)現(xiàn)軟開關(guān),也就實(shí)現(xiàn)零電壓PWM開通.

(9)Mode9 [t9～t10] 在t9時(shí)刻S3關(guān)斷,變壓器初級(jí)繞組電流ip給電容C2和C3充電,給電容C1放電.

(10)Mode10 [t10～t11] 當(dāng)電容C1兩端的電壓降為零時(shí),通過(guò)S1的體內(nèi)二極管,將S1兩端的電壓保持在零,此刻若開通S1,S1將是零電壓開關(guān)開通.此時(shí),工作狀態(tài)重新回到Mode1.

圖3 改進(jìn)型不對(duì)稱半橋變換器電路工作的十個(gè)階段

圖4 改進(jìn)型不對(duì)稱半橋變換器電路工作波形圖

2 電路元器件參數(shù)設(shè)計(jì)

把改進(jìn)型不對(duì)稱變換電路用于DC/DC電路,設(shè)計(jì)指標(biāo)如下所示:

輸入電壓:直流380V;

輸出電壓:直流48V;

最大輸出功率:1KW;

開關(guān)頻率:f = 1 00kHz .

2.1 濾波電感L的計(jì)算

濾波電感L的計(jì)算可以根據(jù)式(8)計(jì)算得到[8]:

2.2 輸出濾波電容Cf的計(jì)算

濾波電容計(jì)算公式[7]:

由于不對(duì)稱變換電路輸出電壓為48V,實(shí)際電路應(yīng)用選用2200μ F/60V的電解電容進(jìn)行濾波.

2.3 諧振電感Lr的計(jì)算

諧振電感值Lr的計(jì)算比較復(fù)雜,不但與占空比丟失有關(guān),還與負(fù)載的輕重有關(guān),因此實(shí)際上諧振電感Lr的選取最后要參考計(jì)算值與實(shí)際仿真情況來(lái)決定,在這里取Lr= 4μΗ.

3 仿真結(jié)果及分析

為了驗(yàn)證主電路設(shè)計(jì)的可行性和參數(shù)的選擇的正確性,利用 Pspice軟件對(duì)該主電路進(jìn)行仿真和分析[9].根據(jù)前面的理論計(jì)算,最后的仿真參數(shù)為:輸入電壓Vin為直流380V,濾波電感L為30μΗ,濾波電容CO為2200μF,諧振電感Lr為4μΗ,開關(guān)頻率f為100kHz.

圖5為改進(jìn)型不對(duì)稱變換電路主開關(guān)管S1和S2的漏源電壓和漏極電流仿真波形.從圖5中可以看出主開關(guān)管S1和S2是互補(bǔ)導(dǎo)通,實(shí)現(xiàn)了PWM的對(duì)稱控制,而且兩個(gè)開關(guān)管都是零電壓開關(guān)PWM開通,成功實(shí)現(xiàn)了主開關(guān)的軟開關(guān),降低了變換器的開關(guān)損耗,提高了系統(tǒng)的變換效率.圖6為改進(jìn)型不對(duì)稱變換電路變壓器初級(jí)繞組電流和中線AB兩點(diǎn)電壓的仿真波形,與圖4中的理論工作波形基本一致,并且消除了直流偏磁現(xiàn)象.圖7為改進(jìn)型不對(duì)稱變換電路輸出電壓仿真波形,從圖7中可以輸出曲線是平滑的48V直流電壓,與理論計(jì)算輸出電壓值結(jié)果完全一致,因此驗(yàn)證了改進(jìn)型不對(duì)稱半橋變換器理論分析完全正確.

圖5 主開關(guān)管S1和S2漏源電壓波形和漏極電流仿真波形

圖6 變壓器初級(jí)繞組電流和AB兩點(diǎn)電壓仿真波形

圖7 輸出電壓UO的仿真波形

4 結(jié)論

綜上所述,通過(guò)對(duì)普通型不對(duì)稱半橋變換器和改進(jìn)型不對(duì)稱半橋變換器工作原理的對(duì)比分析,不對(duì)稱半橋變換器消除了普通不對(duì)稱半橋變換器不能采用 PWM 對(duì)稱控制和存在直流偏磁的現(xiàn)象,而且更容易的使兩個(gè)開關(guān)管更容易實(shí)現(xiàn)軟開關(guān),最后通過(guò)主電路電子器件實(shí)驗(yàn)參數(shù)的計(jì)算,以及在計(jì)算機(jī)仿真Pspice中的仿真驗(yàn)算,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明改進(jìn)型不對(duì)稱半橋變換器理論分析及數(shù)據(jù)計(jì)算完全正確,為其在電子設(shè)備中的廣泛應(yīng)用提供很好的應(yīng)用前景.

[1] 王兆安,劉進(jìn)軍.電力電子技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2009

[2] 楊建寧,謝少軍.不對(duì)稱半橋變換器零電壓開通條件的分析[J].電力電子技術(shù),2005,39(3):52～54

[3] 陳云國(guó).改進(jìn)型不對(duì)稱半橋變換器的研究[D].南京航空航天大學(xué)碩士論文,2008

[4] 鄧 焰,何湘寧,錢照明.逆變橋臂無(wú)源吸收技術(shù)[J].電氣傳動(dòng),2000,5:40～43

[5] 楊海英,謝少軍.對(duì)稱PWM控制ZVS半橋變換器研究[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2006,6(21):29～34

[6] 楊海英,謝少軍.一種改進(jìn)PWM控制半橋ZVS變換器研究[J].電源世界,2006,7:41～45

[7] 楊海英.軟開關(guān)半橋直流變換器研究[D].南京航空航天大學(xué)碩士論文,2006

[8] 張占松,蔡宣三.開關(guān)電源的原理與設(shè)計(jì)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2004

[9] 吳建強(qiáng).Pspice仿真實(shí)踐[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,2001