ZVZCS移相全橋變換器的設(shè)計(jì)與MATLAB仿真

裴素萍，胡俊峰，韓 梁

（1.中原工學(xué)院，鄭州450007；2.河南恩耐基電氣有限公司，鄭州450044）

現(xiàn)代開關(guān)電源的發(fā)展趨勢(shì)是高效率和小型化.要達(dá)到高效率和小型化的要求，提高開關(guān)頻率是有效措施之一，但是開關(guān)頻率的提高使電路的開關(guān)損耗、電磁干擾和開關(guān)噪聲也隨之增加，嚴(yán)重制約開關(guān)電源的發(fā)展.軟開關(guān)技術(shù)能很好地解決開關(guān)損耗和開關(guān)噪聲問題［1］.移相全橋電路是目前應(yīng)用最廣泛的軟開關(guān)電路之一.本文采用ZVZCS控制方法（能夠?qū)崿F(xiàn)超前臂零電壓開關(guān)和滯后臂零電流開關(guān)），對(duì)主電路中主要參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算和分析，并在MATLAB中進(jìn)行建模仿真.

1 ZVZCS移相全橋變換器的設(shè)計(jì)

1.1 ZVZCS移相全橋變換器的原理

ZVZCS移相全橋變換器原理如圖1所示，其主電路主要由逆變橋、整流橋、輸出濾波電感電容、高頻變壓器、原邊串聯(lián)電容、飽和電抗器和超前臂上并聯(lián)的電容 C1、C2組成［2］.

移相PWM控制的基本工作原理為：每個(gè)橋臂的兩個(gè)開關(guān)管180°互補(bǔ)導(dǎo)通，兩個(gè)橋臂的導(dǎo)通之間相差一個(gè)移相角.通過調(diào)節(jié)此移相角的大小，來調(diào)節(jié)輸出電壓脈沖寬度，從而達(dá)到調(diào)節(jié)相應(yīng)的輸出電壓的目的.這種控制方式實(shí)際上是諧振變換技術(shù)與常規(guī)PWM變換技術(shù)的結(jié)合，該技術(shù)使開關(guān)器件在較低的電壓、電流應(yīng)力下實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)［3］.

圖1 ZVZCS全橋移相變換器原理圖

在VT1和VT3導(dǎo)通前，利用C1和C2的充放電特性，使VT1和VT3的反并聯(lián)二極管D1、D3自然導(dǎo)通，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)VT1和VT3的零電壓關(guān)斷和零電壓導(dǎo)通.隔直電容Cb在VT1和VT4導(dǎo)通時(shí)充電，當(dāng)VT1（或 VT3）關(guān)斷，VT3（或 VT1）的反并聯(lián)二極管 D3（或D1）導(dǎo)通后，變換器工作在原邊復(fù)位狀態(tài)，此時(shí)開通VT2或關(guān)斷VT4實(shí)現(xiàn)零電流開關(guān).

1.2 主電路參數(shù)設(shè)計(jì)

1.2.1 高頻變壓器的設(shè)計(jì)

高頻變壓器具有體積小、漏感小、線圈分布電容小、鐵芯損耗小、效率高的特點(diǎn)，它是開關(guān)電源的重要組成部分之一.根據(jù)變壓器設(shè)計(jì)要求，綜合鐵氧體價(jià)格便宜、高頻發(fā)熱小、高頻性能好等優(yōu)點(diǎn)，本文采用EC90鐵氧體磁芯.

變壓器的設(shè)計(jì)采用面積乘積（AP）法［4］.原邊Np匝、副邊Ns匝的變壓器，在原邊開關(guān)以電壓V1工作時(shí)，根據(jù)電磁感應(yīng)定律有：

式中：fs——開關(guān)工作頻率（Hz）；

Bw——工作磁通密度（T）；

Ae——磁芯有效面積（m2）；

Kf——波形系數(shù)，有效值與平均值之比，正弦波時(shí)為4.44，方波時(shí)為4.

EC90鐵氧體的Ae＝6.24cm2，Bw＝0.3T；V1＝220V，fs＝10kHz.由式（1）整理得：

副邊繞組可按照下面的公式計(jì)算：

式中，Vo為變壓器副邊電壓.

結(jié)合鐵心參數(shù)和計(jì)算公式，可計(jì)算得原邊繞組29匝，副邊繞組9匝.

1.2.2 輸出濾波電感的選擇

根據(jù)系統(tǒng)要求，最大輸出電流100A，工作頻率10kHz，最大紋波電流1A.變壓器副邊電感由基爾霍夫電壓定律獲得：

在開關(guān)管導(dǎo)通Ton時(shí)：

輸出濾波電感紋波電流1A，則有：

即

由以上公式計(jì)算得：L≥0.64mH，這里選取L＝1mH.

1.2.3 輸出濾波電容的選擇

為了保持輸出電壓穩(wěn)定，在輸出端加濾波電容.濾波電容需要滿足以下2個(gè)條件：

（1）在穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下，輸出的電壓紋波在規(guī)定的范圍內(nèi).

（2）在負(fù)載突然變?yōu)榱銜r(shí)，能夠保持輸出電壓穩(wěn)定［5］.

設(shè)電容為理想電容，輸出的紋波電壓Vr由電容C、輸出濾波電感上的紋波電流Ir和等效導(dǎo)通時(shí)間Ton決定：

當(dāng)紋波電壓小于0.5V時(shí)，則有C＞70μF.

當(dāng)負(fù)載突然從額定值降到零時(shí)，假設(shè)控制電路在第一時(shí)間做出響應(yīng)，儲(chǔ)存在電感上的能量將全部注入到濾波電容上，此刻有：

在設(shè)計(jì)中，負(fù)載由額定值突降到零時(shí)，最大電壓不超過60V，那么根據(jù)計(jì)算得出的電容值得C＞1 591μF，這里取C＝2 200μF.

1.2.4 隔直電容的選擇

當(dāng)開關(guān)管VT1和VT4同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，變壓器原邊電流Ip給隔直電容Cb充電；當(dāng)開關(guān)管VT2和VT3同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，Ip給Cb放電；而在續(xù)流期間，Cb的電壓保持不變，該電容參與其中的能量轉(zhuǎn)換過程，因此Cb的值要合理選擇.

當(dāng)Ip給隔直電容Cb充電時(shí)，其電壓從－Vb到Vb線性增長(zhǎng)，則有：

其中，I0是變換器輸出電流，n為變壓器變比.

將式（9）積分得：

式中：D為占空比，T為開關(guān)周期.

一般Vb值取輸入電壓最大值的15%，由式（10）可計(jì)算得隔直電容Cb＝7.5μF，這里選取Cb＝10μF.

1.2.5 飽和電感參數(shù)的計(jì)算

在一個(gè)開關(guān)周期中，可飽和電感應(yīng)滿足磁復(fù)位條件Δφ＝0，即正向、負(fù)向磁飽和的磁通變化量之和或者伏秒積之和為零［6］.設(shè)磁復(fù)位時(shí)間為Δt，飽和電感的磁復(fù)位時(shí)間一般不超過開關(guān)周期的4%，設(shè)計(jì)開關(guān)頻率為20kHz，即開關(guān)周期為50μs，則Δt可取約2μs.所加的電壓為Vin（在開通時(shí)刻，電路中電流非常小，可飽和電感未飽和感抗很大，電源電壓幾乎全加在飽和電感兩端，當(dāng)電流達(dá)到臨界值Is后，飽和電感迅速飽和，其上電壓降為零，電源電壓加到變壓器兩端），鐵芯的截面積為Sc，飽和電感匝數(shù)為N，則有

取ΔB為鐵芯最大磁密Bs，則飽和電感匝數(shù)

在臨界電流時(shí)飽和電感可看作線性電感，則

綜上，電感值為：

選擇科達(dá)磁電公司的DNS468026型鐵硅鋁材料為磁芯，輸入電壓為264V，算得匝數(shù)為38，飽和電感臨界電流預(yù)先設(shè)置為5A，可得電感值Ls＝105μH.

飽和電感是電路實(shí)現(xiàn)滯后臂軟開關(guān)的重要元件，也是電路中最難以實(shí)現(xiàn)的元件之一.在實(shí)際電路中飽和電感是用磁芯和導(dǎo)線繞制而成，而磁芯會(huì)影響飽和電感的性能，所以，一般先通過計(jì)算，初步設(shè)定可飽和電感的值，再根據(jù)試驗(yàn)進(jìn)一步調(diào)整.

1.3 控制方法分析

當(dāng)負(fù)載突然增加時(shí)，輸出電壓小于給定電壓，通過電壓采樣電路采集電壓送入單片機(jī)內(nèi)部，再與給定電壓比較作差后進(jìn)行閉環(huán)控制，通過軟件使輸出移相角增加，進(jìn)而調(diào)整輸出電壓；也可用專用芯片UC3875進(jìn)行控制，與單片機(jī)控制不同的是采樣電壓和給定電壓通過比較器把誤差信號(hào)直接傳送給UC3875的EA＋管腳，通過硬件使UC3875輸出移相角變化，從而調(diào)整輸出電壓.

2 MATLAB仿真及分析

2.1 MATLAB仿真電路參數(shù)

圖2所示是ZVZCS移相全橋變換器MATLAB仿真原理圖.輸入電壓為 AC220V，輸出電壓為DC50V，變壓器匝數(shù)比是3∶1，飽和電感Ls＝105μH，輸出濾波電感L＝1mH，輸出濾波電容C2＝2 200μF，死區(qū)時(shí)間Td＝2.5μs，Cb＝10μF；一般蓄電池組電壓是48V，本文在仿真時(shí)元器件都是理想的，所以給出輸出電壓50V.整流所得直流電給直流電容Ca充電，Subsystem模塊是移相產(chǎn)生電路，電壓給定50V，經(jīng)PI調(diào)節(jié)輸出接Subsystem模塊，Subsystem模塊產(chǎn)生IGBT驅(qū)動(dòng)信號(hào)，通過控制IGBT開通關(guān)斷的時(shí)刻來改變移相角大小，間接改變斜對(duì)角IGBT開通的有效占空比，進(jìn)而調(diào)節(jié)變壓器副邊電壓.通過改變負(fù)載電阻的大小來模擬負(fù)載變化.

圖2 ZVZCS移相全橋變換器MATLAB仿真原理圖

2.2 仿真結(jié)果及分析

圖3所示是負(fù)載R＝1Ω時(shí)的電壓、電流波形，響應(yīng)時(shí)間T＝7ms，幾乎沒有超調(diào)，電壓穩(wěn)定在50V且波動(dòng)比較小.

圖4所示是負(fù)載R＝1Ω時(shí)的IGBT驅(qū)動(dòng)信號(hào)，從上到下依次是IGBT VT1、VT2、VT3、VT4的控制信號(hào).從波形中可以驗(yàn)證移相全橋原理，此時(shí)移相角90°左右，可以通過改變移相角來調(diào)節(jié)輸出電壓的大小.

圖3 負(fù)載R＝1Ω時(shí)輸出電壓、電流波形

圖4 負(fù)載R＝1Ω時(shí)IGBT驅(qū)動(dòng)信號(hào)

負(fù)載R＝0.5Ω時(shí)，輸出電壓、電流波形如圖5所示.IGBT驅(qū)動(dòng)信號(hào)如圖6所示，通過圖6可以看出移相角接近150°，此時(shí)再增加負(fù)載，直流電壓波動(dòng)比較大.因此，R＝0.5Ω被認(rèn)為負(fù)載最大值.

圖5 負(fù)載R＝0.5Ω時(shí)輸出電壓、電流波形

圖6 負(fù)載R＝0.5Ω時(shí)IGBT驅(qū)動(dòng)信號(hào)

負(fù)載減小即R＝25Ω時(shí)，通過圖7可知輸出電壓、電流波形出現(xiàn)很大的超調(diào)，且電流波形波動(dòng)頻繁.眾所周知，ZVSCS移相全橋變換器軟開關(guān)與原邊電流大小有關(guān)，在負(fù)載較輕即電流比較小時(shí)，實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)比較困難.由圖8可知，負(fù)載R＝25Ω時(shí)移相角為25°左右.

圖7 負(fù)載R＝25Ω時(shí)輸出電壓、電流波形

圖8 負(fù)載R＝25Ω時(shí)IGBT驅(qū)動(dòng)信號(hào)

由以上3種負(fù)載仿真結(jié)果可以看出，負(fù)載減小，移相角也相應(yīng)地減?。浑S著負(fù)載的變化，輸出電壓基本維持在50V左右，波動(dòng)較小，電流紋波也能達(dá)到要求.由此可見，參數(shù)選取合適.

3 結(jié) 語(yǔ)

飽和電感參數(shù)選取對(duì)于實(shí)現(xiàn)滯后橋臂軟開關(guān)很重要，根據(jù)需求初步算出一個(gè)值后還要經(jīng)過仿真試驗(yàn)調(diào)整來確定.移相角可以在0°～180°連續(xù)可調(diào)，實(shí)際控制中必須考慮死區(qū)時(shí)間，防止上下橋臂直通.負(fù)載變化時(shí)，可通過電壓閉環(huán)改變移相角大小來穩(wěn)定輸出的直流電壓，負(fù)載越大移相角越大.

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