一移相H橋變換器的一種新型軟開關(guān)拓?fù)?/h1>
2015-03-24 09:05:22張加勝徐向華郝秀杰
張加勝, 徐向華, 陳 榮, 郝秀杰
(中國(guó)石油大學(xué)信息與控制工程學(xué)院,山東青島 266580)
一移相H橋變換器的一種新型軟開關(guān)拓?fù)?/p>
張加勝, 徐向華, 陳 榮, 郝秀杰
(中國(guó)石油大學(xué)信息與控制工程學(xué)院,山東青島 266580)
針對(duì)目前軟開關(guān)變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜、損耗較大的問題,提出移相H橋變換器的一種新型軟開關(guān)拓?fù)?基于原有的逆變變壓器和整流、濾波元件,增設(shè)一種無源輔助箝位電路,拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易行,無需有源器件和附加控制,通過其換流重疊及續(xù)流、箝位作用,實(shí)現(xiàn)超前橋臂的零電壓通斷和滯后橋臂的零電流通斷,有效地降低變換器損耗和提高系統(tǒng)效率。對(duì)新型軟開關(guān)拓?fù)溥M(jìn)行原理定性闡述,結(jié)合各時(shí)段波形進(jìn)行理論分析,得出有關(guān)軟開關(guān)條件。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了本拓?fù)浞桨讣袄碚摲治龇椒ǖ挠行浴?/p>
移相H橋; 拓?fù)? 軟開關(guān); 無源輔助箝位
近年來,有關(guān)移相H橋變換器的軟開關(guān)技術(shù)研究較多,一方面通過軟開關(guān)可以降低器件的開關(guān)損耗,另一方面也使其開關(guān)頻率明顯增高,同時(shí)有利于減小體積和電磁干擾影響,因此在中、大功率移相H橋變換器上得到了越來越廣泛的應(yīng)用[1-12]。然而,盡管目前移相H橋變換器通過增設(shè)輔助電路來達(dá)到滯后橋臂開關(guān)的零電流通斷已取得明顯效果,但電路結(jié)構(gòu)尚顯復(fù)雜,有待進(jìn)一步完善?，F(xiàn)有的相關(guān)研究主要采取增設(shè)變壓器、輔助箝位電路和控制電路的方法[3-6],電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制比較復(fù)雜;也有的學(xué)者采用耦合電感取代變壓器,并構(gòu)成輔助箝位電路,不僅耦合電感設(shè)計(jì)難度較大,而且其磁芯損耗將隨頻率和負(fù)載增大而加重[7-9];還有的給輔助變壓器多增設(shè)副邊繞組,并通過二極管為電容器充電并實(shí)現(xiàn)電壓箝位,但存在滯后橋臂開關(guān)在負(fù)載較輕時(shí)難以達(dá)到零電流通斷的問題,而且多副邊繞組會(huì)增大變壓器的體積與容量[10];變壓器副邊的箝位輔助電路也有文獻(xiàn)報(bào)道采用多只二極管和電容器組成,使用無源器件較多,電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜[11-12];采用副邊倍流整流單元結(jié)構(gòu)不失為一種效果較好的選擇,電路結(jié)構(gòu)不很復(fù)雜,只是需要兩只電感器交替工作,電感器的體積較大而利用率較低[13]。筆者利用開關(guān)電源原有的變壓器和整流、濾波元件,為變壓器副邊輸出側(cè)專門設(shè)計(jì)一種無源輔助箝位電路,提出移相H橋變換器的一種新型軟開關(guān)拓?fù)浞桨浮?/p>
1 變換器拓?fù)浼败涢_關(guān)作用原理
所提出的適用于移相H橋變換器的新型無源箝位式軟開關(guān)電路拓?fù)淙鐖D1所示。與常規(guī)的ZVS移相H橋變換拓?fù)湎啾?主要加入了由CC、DC和DL構(gòu)成的副邊電壓箝位和續(xù)流電路。為方便分析比較,仍與常規(guī)ZVS移相H橋變換器一樣,將Q1、Q2稱作超前橋臂,Q3、Q4稱作滯后橋臂,C1和C2稱作超前橋臂的諧振電容器,Llk為諧振電感器。設(shè)變壓器原邊與兩個(gè)副邊的變比均為n。Uab為兩個(gè)半橋之間的輸出電壓,近似代表變壓器一次側(cè)電壓,Uco代表變壓器左側(cè)副邊的電壓,Urec為副邊全波整流輸出電壓。假設(shè)輸出濾波電感Lf足夠大,可近似為恒流Io。H橋逆變器無論工作于正、負(fù)半周,在變壓器原側(cè)向負(fù)載側(cè)供能階段,總有D5或D6導(dǎo)通,而DL處于反偏斷態(tài),Co上的輸出電壓經(jīng)DC為箝位電容器CC充電。這種箝位和續(xù)流電路主要具有兩種作用:①使超前橋臂Q1、Q2不僅可以實(shí)現(xiàn)常規(guī)的零電壓導(dǎo)通,而且可以零電壓關(guān)斷。比如,在輸出正半周Q1、Q4對(duì)角導(dǎo)通的穩(wěn)態(tài)下,副邊Q6處于通態(tài),DL斷態(tài),C1上壓降近似為零,原邊電流ip除含很小的勵(lì)磁分量之外,主要為副邊負(fù)載電流Io反射到原邊的負(fù)載分量Io/n。此時(shí)若令Q1關(guān)斷,一方面,ip經(jīng)C1、 C2與Llk諧振續(xù)流,另一方面，副邊的DL即刻導(dǎo)通續(xù)流,而由于Llk及變壓器副邊等效漏感的作用,D6不會(huì)立刻關(guān)斷,形成D6與DL的換流重疊過程,D6電流迅速向DL換流轉(zhuǎn)移。同時(shí),箝位電壓UC=Uco作用于副邊,反映到原邊與Uin相平衡一大部分, C1端壓近似為零,加之換流轉(zhuǎn)移作用使其充電電流減小,C1端壓保持為零的時(shí)間將延長(zhǎng),足以維持Q1的零電壓關(guān)斷。該過程如圖2(a)等效電路所示。②可實(shí)現(xiàn)滯后橋臂Q3、Q4的ZCS通斷。比如,在Q4開通之前,Q1、Q3導(dǎo)通達(dá)穩(wěn)態(tài),ip已復(fù)位到零,D5、D6均斷態(tài),Io經(jīng)DL、DC續(xù)流。當(dāng)Q4導(dǎo)通時(shí),如圖2(b)等效電路所示,Uab=Uin,同時(shí),副邊形成DL向D6換流,并且換流重疊,箝位電壓Uc=Uco又作用于副邊,反映到原邊與Uin的部分作用相平衡,導(dǎo)致Llk端壓較小,使得ip從零上升較緩慢,足以保持Q4為零電流導(dǎo)通。至于其關(guān)斷過程,由于Q4關(guān)斷之前與Q1同時(shí)導(dǎo)通已達(dá)穩(wěn)態(tài),一次側(cè)電流ip已完全復(fù)位到零,D5、D6均斷態(tài),Io經(jīng)DL、DC續(xù)流,所以Q4的關(guān)斷為零電流過程。
圖1 軟開關(guān)變換電路Fig.1 Proposed converter topology
2 軟開關(guān)波形及理論分析
設(shè)輸出濾波電容取值很大,輸出電壓Uo可近似為恒壓源,將軟開關(guān)H橋變換器的半周期工作過程分解為7個(gè)時(shí)段分析,有關(guān)動(dòng)態(tài)波形如圖2所示。
圖2 軟開關(guān)過程等效電路Fig.2 Equivalent circuit of soft-switching process
(1)[t0，t1]時(shí)段:在t0時(shí)刻前,左上橋臂Q1已處通態(tài),變壓器一次側(cè)電流ip復(fù)位到零,DC和DL導(dǎo)通續(xù)流。當(dāng)t0時(shí)刻開通Q4時(shí),其零電流導(dǎo)通過程如前分析,見圖2(b)所示。ip上升速率由下式?jīng)Q定:
ip=(Uin-nUrec)(t-t0)/Llk， t∈[t0,t1].
(1)
其間DL向D6換流發(fā)生導(dǎo)通重疊,有關(guān)iDL的重疊電流方程為
iDL=Io-nip.
(2)
在重疊期內(nèi),由于iDL減小和ip增大,導(dǎo)致UC緩升至峰值,如果CC取值足夠大,UC可近似恒壓Uo。而且在換流重疊期間近似滿足
Uco=Urec=UC.
(3)
這正體現(xiàn)了CC的箝位作用。通常UC=Uo小于Uin/n,與移相角有關(guān)。
[t1,t2]時(shí)段:在t1時(shí)刻一次側(cè)電流ip達(dá)到峰值
ip=Io/n .
(4)
iDL下降到零,DL和D6換流重疊結(jié)束,DL自然關(guān)斷于零電流狀態(tài),Urec退出受UC箝位的狀態(tài),并且有
Uco=Urec=Uin/n.
(5)
本時(shí)段原、副邊傳遞能量,同時(shí)經(jīng)DC對(duì)CC充電達(dá)Uo。
圖3 變換器工作波形Fig.3 Operation waveforms of proposed converter
[t2,t3] 時(shí)段:在t2時(shí)刻令Q1關(guān)斷,其零電壓關(guān)斷過程如前分析,見圖2(a)所示。本時(shí)段很短,可認(rèn)為ip=Io/n是恒值,ip從流經(jīng)Q1過渡到由C1與C2兩支路分流,C2放電,C1充電,其間所轉(zhuǎn)移電荷量
ΔQ=ipΔt=Io(t-t2)/n .
(6)
由式(6)得Uab的變化量:
(7)
由式(7)可得
(8)
Uab的降低致使副邊的電壓Uco和Urec也隨之下降,到t3時(shí)刻Urec降至UC。
[t3,t4]時(shí)段:在t3時(shí)刻,Urec下降到UC,DL自然導(dǎo)通于零電壓狀態(tài),又一次形成與D6的換流重疊,使得Urec再次箝位于UC,并滿足式(3)。由于原邊和副邊反映電壓之差在Llk上的作用,ip以下式諧振續(xù)流而減小:
(9)
(10)
式中,t4-3表示[t3，t4]段時(shí)長(zhǎng)。可見，由于箝位電壓對(duì)原邊的反映作用,會(huì)使ip下降復(fù)位加快。此階段DC自然會(huì)零電壓導(dǎo)通。
[t5,t6]時(shí)段:在t5時(shí)刻iDL達(dá)到峰值,ip復(fù)位到零,D6自然關(guān)斷于零電流狀態(tài),換流重疊結(jié)束。本階段原副邊電壓為零,由DL和CC為負(fù)載續(xù)流。
[t6,t7] 時(shí)段:在t6時(shí)刻關(guān)斷Q4,其零電流關(guān)斷過程如前分析。t7時(shí)刻后,H橋工作進(jìn)入后半周期,其過程分析與前半周期完全對(duì)稱。
3 軟開關(guān)條件
3.1 零電壓開關(guān)條件
鑒于通常開關(guān)管的等效結(jié)電容很小,在實(shí)現(xiàn)超前橋臂開關(guān)零電壓導(dǎo)通的前提下,其等效電容應(yīng)適當(dāng)取大些,故需要外接并聯(lián)電容器C1和C2,以便降低關(guān)斷損耗。在[t2，t4]時(shí)段,負(fù)載最輕時(shí),應(yīng)使副邊濾波電感器Lf折合到原側(cè),并與Llk共同參與諧振時(shí)具有足夠能量來保證C1與C2充放電完全,而且能使得上、下橋臂開關(guān)之間的死區(qū)作用時(shí)間td大于uab下降的過渡時(shí)間t4-2。因此,由式(8)可知負(fù)載電流最小值Iomin與td應(yīng)滿足如下條件:
(11)
3.2 零電流開關(guān)條件
本拓?fù)浞桨附o出的續(xù)流和箝位環(huán)節(jié)應(yīng)用無源電路可抑制移相輸出占空比的丟失[14],亦可防止變壓器副側(cè)過沖電壓,提高變換效率。通常應(yīng)選取電容CC足夠大,以穩(wěn)定箝位電壓,然而由于輸出端的濾波電容Co對(duì)原側(cè)電流的復(fù)位也有貢獻(xiàn),并且Co一般取容量較大,加之需要限制其回路環(huán)流在較低值以內(nèi),所以CC在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)不必取太大。假如取CC值足夠大,副側(cè)換流重疊使式(3)箝位關(guān)系滿足,且UC≈Uo。鑒于式(10)及ip在[t4，t5]時(shí)段的變化率,為使原側(cè)電流達(dá)到完全復(fù)位,保證緊接其后的滯后橋臂零電流通斷,H橋移相輸出的占空比最大值dmax應(yīng)滿足條件:
(12)
4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
采用圖1所示新型軟開關(guān)變換電路,研發(fā)了一臺(tái)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。參數(shù)設(shè)計(jì)中依照式(11)和(12)給出的軟開關(guān)條件作為設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,例如取負(fù)載最小電流Iomin=7 A,保證式(11)的兩條件都能滿足。所選參數(shù)如表1所示。
表1 樣機(jī)參數(shù)
由三相二極管整流濾波器提供輸入直流電壓源Uin。在額定功率一半的負(fù)載下以數(shù)字存儲(chǔ)示波器觀察并記錄有關(guān)軟開關(guān)電壓、電流波形如圖4所示,其中圖4(a)與(b)分別表明了Q2超前橋臂ZVS導(dǎo)通與ZVS關(guān)斷的uCE及柵極驅(qū)動(dòng)電壓uGE波形;圖4(c)與(d)分別表明了Q4滯后橋臂ZCS導(dǎo)通與ZCS關(guān)斷的iQ4及uCE波形?？梢妰蓸虮坶_關(guān)均工作于軟開關(guān)通斷狀態(tài)。圖5(a)、(b)和(c)分別示出有關(guān)副邊箝位的uco、urec和iDL、iQ4等電壓電流波形,從中可見,對(duì)應(yīng)于一次側(cè)電流的上升與下降時(shí)段,副邊電壓uco形成明顯的電壓過渡臺(tái)階,此時(shí)箝位二極管DL正處換流重疊通態(tài),表明此時(shí)段uco被箝位于UC,此換流重疊及箝位作用對(duì)一次側(cè)電流的加快復(fù)位起著關(guān)鍵作用。這也與理論分析相吻合,從而也有效地證實(shí)了本拓?fù)浞桨讣袄碚摲治雠c參數(shù)設(shè)計(jì)規(guī)則的正確性與可行性。
圖4 軟開關(guān)電壓、電流波形Fig.4 Soft switching waveforms
對(duì)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)在不同負(fù)載下所繪出的效率曲線如圖6所示,可以看到在比較寬的負(fù)載電流范圍內(nèi)轉(zhuǎn)換效率優(yōu)于85%,當(dāng)負(fù)載接近額定電流(16A)的較大范圍內(nèi)效率可達(dá)到90%以上,這比同容量的普通H橋變換器效率增大約2%左右[15-16],表明本拓?fù)浞桨傅膶?shí)際應(yīng)用價(jià)值比較明顯。
圖5 副邊箝位波形Fig.5 Secondary clamp waveforms
圖6 效率曲線Fig.6 Efficiency curve
5 結(jié)束語(yǔ)
對(duì)新型軟開關(guān)拓?fù)溥M(jìn)行了原理定性闡述,結(jié)合各時(shí)段波形進(jìn)行了理論分析,得出了有關(guān)軟開關(guān)條件,并依此做參數(shù)設(shè)計(jì),完成了樣機(jī)實(shí)驗(yàn)及波形測(cè)試。理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,所提出的無源箝位和續(xù)流拓?fù)淇梢种聘边呺妷哼^沖和移相輸出占空比的丟失問題,而且電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,性能可靠。其CC箝位電容器通過利用換流重疊與充電作用,能達(dá)到工作狀態(tài)的自適應(yīng)切換。滯后橋臂的零電流開關(guān)效果亦正籍于此箝位作用才得以實(shí)現(xiàn)。所提出的移相H橋新型軟開關(guān)變換拓?fù)?、滯后橋臂開關(guān)在全負(fù)載范圍內(nèi)均屬零電流通斷,故其導(dǎo)通和關(guān)斷過程損耗近乎為零。無源箝位與續(xù)流回路中的二極管均為自然通斷,電壓電流應(yīng)力小,消除了硬開關(guān)存在的動(dòng)態(tài)損耗,靜態(tài)損耗微不足道。相比有源箝位輔助電路,無源箝位結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單實(shí)用,而且不存在由晶體管驅(qū)動(dòng)帶來的有源損耗問題。超前橋臂開關(guān)在比較寬的負(fù)載范圍上既屬于零電壓導(dǎo)通，又屬于零電流導(dǎo)通,因此可視其為零導(dǎo)通損耗。至于其關(guān)斷過程,在諧振電容并聯(lián)作用下,易于達(dá)到零電壓關(guān)斷,同時(shí)由于副邊換流轉(zhuǎn)移作用使其開關(guān)電流很小,關(guān)斷過程只存在微弱損耗,近似零電流關(guān)斷?？傊?本變換器軟開關(guān)拓?fù)洳粌H電路簡(jiǎn)捷、原理清晰,而且明顯具備提高效率的作用,適合應(yīng)用于高性能數(shù)字式電源裝置等場(chǎng)合。
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(編輯 修榮榮)
A new soft-switching topology of phase-shift H-bridge converter
ZHANG Jiasheng, XU Xianghua, CHEN Rong, HAO Xiujie
(CollegeofInformationandControlEngineeringinChinaUniversityofPetroleum,Qingdao266580，China)
In view of the current problems in soft-switching converter with complicated topology and greater consumption, a novel soft-switching topology of phase-shift H-bridge converter was presented. Based on the original transformer, rectifier and filtering elements, a passive auxiliary clamp circuit is added. The circuit topology is simple and easy to implement, and requires no active components and additional control. Both ZVS leading-leg and ZCS lagging-leg are realized adaptively. The converter reduces the consumption and improves the system efficiency effectively. The principle of the new soft-switching topology is elaborated qualitatively. Waveforms on every time interval are analyzed theoretically. The soft-switching conditions are derived. The robustness and feasibility of the new topology and the associated theory analyzing method are verified using experimental results.
phase-shift H-bridge； topology； soft-switching； passive auxiliary clamp
2014-06-12
山東省科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2013GSF11607)
張加勝(1957-)，男，教授，博士，博士生導(dǎo)師，主要從事電力電子與電氣自動(dòng)化方面的教學(xué)與科研工作。E-mail:zjsycy2003@126.com。
1673-5005(2015)01-0182-06
10.3969/j.issn.1673-5005.2015.01.027
TM 921
A
張加勝,徐向華,陳榮,等.移相H橋變換器的一種新型軟開關(guān)拓?fù)鋄J].中國(guó)石油大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2015,39(1):182-187.
ZHANG Jiasheng, XU Xianghua, CHEN Rong, et al. A new soft-switching topology of phase-shift H-bridge converter[J]. Journal of China University of Petroleum (Edition of Natural Science),2015,39(1):182-187.
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張加勝, 徐向華, 陳 榮, 郝秀杰
(中國(guó)石油大學(xué)信息與控制工程學(xué)院,山東青島 266580)
一移相H橋變換器的一種新型軟開關(guān)拓?fù)?/p>
張加勝, 徐向華, 陳 榮, 郝秀杰
(中國(guó)石油大學(xué)信息與控制工程學(xué)院,山東青島 266580)
針對(duì)目前軟開關(guān)變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜、損耗較大的問題,提出移相H橋變換器的一種新型軟開關(guān)拓?fù)?基于原有的逆變變壓器和整流、濾波元件,增設(shè)一種無源輔助箝位電路,拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易行,無需有源器件和附加控制,通過其換流重疊及續(xù)流、箝位作用,實(shí)現(xiàn)超前橋臂的零電壓通斷和滯后橋臂的零電流通斷,有效地降低變換器損耗和提高系統(tǒng)效率。對(duì)新型軟開關(guān)拓?fù)溥M(jìn)行原理定性闡述,結(jié)合各時(shí)段波形進(jìn)行理論分析,得出有關(guān)軟開關(guān)條件。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了本拓?fù)浞桨讣袄碚摲治龇椒ǖ挠行浴?/p>
移相H橋; 拓?fù)? 軟開關(guān); 無源輔助箝位
近年來,有關(guān)移相H橋變換器的軟開關(guān)技術(shù)研究較多,一方面通過軟開關(guān)可以降低器件的開關(guān)損耗,另一方面也使其開關(guān)頻率明顯增高,同時(shí)有利于減小體積和電磁干擾影響,因此在中、大功率移相H橋變換器上得到了越來越廣泛的應(yīng)用[1-12]。然而,盡管目前移相H橋變換器通過增設(shè)輔助電路來達(dá)到滯后橋臂開關(guān)的零電流通斷已取得明顯效果,但電路結(jié)構(gòu)尚顯復(fù)雜,有待進(jìn)一步完善?，F(xiàn)有的相關(guān)研究主要采取增設(shè)變壓器、輔助箝位電路和控制電路的方法[3-6],電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制比較復(fù)雜;也有的學(xué)者采用耦合電感取代變壓器,并構(gòu)成輔助箝位電路,不僅耦合電感設(shè)計(jì)難度較大,而且其磁芯損耗將隨頻率和負(fù)載增大而加重[7-9];還有的給輔助變壓器多增設(shè)副邊繞組,并通過二極管為電容器充電并實(shí)現(xiàn)電壓箝位,但存在滯后橋臂開關(guān)在負(fù)載較輕時(shí)難以達(dá)到零電流通斷的問題,而且多副邊繞組會(huì)增大變壓器的體積與容量[10];變壓器副邊的箝位輔助電路也有文獻(xiàn)報(bào)道采用多只二極管和電容器組成,使用無源器件較多,電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜[11-12];采用副邊倍流整流單元結(jié)構(gòu)不失為一種效果較好的選擇,電路結(jié)構(gòu)不很復(fù)雜,只是需要兩只電感器交替工作,電感器的體積較大而利用率較低[13]。筆者利用開關(guān)電源原有的變壓器和整流、濾波元件,為變壓器副邊輸出側(cè)專門設(shè)計(jì)一種無源輔助箝位電路,提出移相H橋變換器的一種新型軟開關(guān)拓?fù)浞桨浮?/p>
1 變換器拓?fù)浼败涢_關(guān)作用原理
所提出的適用于移相H橋變換器的新型無源箝位式軟開關(guān)電路拓?fù)淙鐖D1所示。與常規(guī)的ZVS移相H橋變換拓?fù)湎啾?主要加入了由CC、DC和DL構(gòu)成的副邊電壓箝位和續(xù)流電路。為方便分析比較,仍與常規(guī)ZVS移相H橋變換器一樣,將Q1、Q2稱作超前橋臂,Q3、Q4稱作滯后橋臂,C1和C2稱作超前橋臂的諧振電容器,Llk為諧振電感器。設(shè)變壓器原邊與兩個(gè)副邊的變比均為n。Uab為兩個(gè)半橋之間的輸出電壓,近似代表變壓器一次側(cè)電壓,Uco代表變壓器左側(cè)副邊的電壓,Urec為副邊全波整流輸出電壓。假設(shè)輸出濾波電感Lf足夠大,可近似為恒流Io。H橋逆變器無論工作于正、負(fù)半周,在變壓器原側(cè)向負(fù)載側(cè)供能階段,總有D5或D6導(dǎo)通,而DL處于反偏斷態(tài),Co上的輸出電壓經(jīng)DC為箝位電容器CC充電。這種箝位和續(xù)流電路主要具有兩種作用:①使超前橋臂Q1、Q2不僅可以實(shí)現(xiàn)常規(guī)的零電壓導(dǎo)通,而且可以零電壓關(guān)斷。比如,在輸出正半周Q1、Q4對(duì)角導(dǎo)通的穩(wěn)態(tài)下,副邊Q6處于通態(tài),DL斷態(tài),C1上壓降近似為零,原邊電流ip除含很小的勵(lì)磁分量之外,主要為副邊負(fù)載電流Io反射到原邊的負(fù)載分量Io/n。此時(shí)若令Q1關(guān)斷,一方面,ip經(jīng)C1、 C2與Llk諧振續(xù)流,另一方面，副邊的DL即刻導(dǎo)通續(xù)流,而由于Llk及變壓器副邊等效漏感的作用,D6不會(huì)立刻關(guān)斷,形成D6與DL的換流重疊過程,D6電流迅速向DL換流轉(zhuǎn)移。同時(shí),箝位電壓UC=Uco作用于副邊,反映到原邊與Uin相平衡一大部分, C1端壓近似為零,加之換流轉(zhuǎn)移作用使其充電電流減小,C1端壓保持為零的時(shí)間將延長(zhǎng),足以維持Q1的零電壓關(guān)斷。該過程如圖2(a)等效電路所示。②可實(shí)現(xiàn)滯后橋臂Q3、Q4的ZCS通斷。比如,在Q4開通之前,Q1、Q3導(dǎo)通達(dá)穩(wěn)態(tài),ip已復(fù)位到零,D5、D6均斷態(tài),Io經(jīng)DL、DC續(xù)流。當(dāng)Q4導(dǎo)通時(shí),如圖2(b)等效電路所示,Uab=Uin,同時(shí),副邊形成DL向D6換流,并且換流重疊,箝位電壓Uc=Uco又作用于副邊,反映到原邊與Uin的部分作用相平衡,導(dǎo)致Llk端壓較小,使得ip從零上升較緩慢,足以保持Q4為零電流導(dǎo)通。至于其關(guān)斷過程,由于Q4關(guān)斷之前與Q1同時(shí)導(dǎo)通已達(dá)穩(wěn)態(tài),一次側(cè)電流ip已完全復(fù)位到零,D5、D6均斷態(tài),Io經(jīng)DL、DC續(xù)流,所以Q4的關(guān)斷為零電流過程。
圖1 軟開關(guān)變換電路Fig.1 Proposed converter topology
2 軟開關(guān)波形及理論分析
設(shè)輸出濾波電容取值很大,輸出電壓Uo可近似為恒壓源,將軟開關(guān)H橋變換器的半周期工作過程分解為7個(gè)時(shí)段分析,有關(guān)動(dòng)態(tài)波形如圖2所示。
圖2 軟開關(guān)過程等效電路Fig.2 Equivalent circuit of soft-switching process
(1)[t0，t1]時(shí)段:在t0時(shí)刻前,左上橋臂Q1已處通態(tài),變壓器一次側(cè)電流ip復(fù)位到零,DC和DL導(dǎo)通續(xù)流。當(dāng)t0時(shí)刻開通Q4時(shí),其零電流導(dǎo)通過程如前分析,見圖2(b)所示。ip上升速率由下式?jīng)Q定:
ip=(Uin-nUrec)(t-t0)/Llk， t∈[t0,t1].
(1)
其間DL向D6換流發(fā)生導(dǎo)通重疊,有關(guān)iDL的重疊電流方程為
iDL=Io-nip.
(2)
在重疊期內(nèi),由于iDL減小和ip增大,導(dǎo)致UC緩升至峰值,如果CC取值足夠大,UC可近似恒壓Uo。而且在換流重疊期間近似滿足
Uco=Urec=UC.
(3)
這正體現(xiàn)了CC的箝位作用。通常UC=Uo小于Uin/n,與移相角有關(guān)。
[t1,t2]時(shí)段:在t1時(shí)刻一次側(cè)電流ip達(dá)到峰值
ip=Io/n .
(4)
iDL下降到零,DL和D6換流重疊結(jié)束,DL自然關(guān)斷于零電流狀態(tài),Urec退出受UC箝位的狀態(tài),并且有
Uco=Urec=Uin/n.
(5)
本時(shí)段原、副邊傳遞能量,同時(shí)經(jīng)DC對(duì)CC充電達(dá)Uo。
圖3 變換器工作波形Fig.3 Operation waveforms of proposed converter
[t2,t3] 時(shí)段:在t2時(shí)刻令Q1關(guān)斷,其零電壓關(guān)斷過程如前分析,見圖2(a)所示。本時(shí)段很短,可認(rèn)為ip=Io/n是恒值,ip從流經(jīng)Q1過渡到由C1與C2兩支路分流,C2放電,C1充電,其間所轉(zhuǎn)移電荷量
ΔQ=ipΔt=Io(t-t2)/n .
(6)
由式(6)得Uab的變化量:
(7)
由式(7)可得
(8)
Uab的降低致使副邊的電壓Uco和Urec也隨之下降,到t3時(shí)刻Urec降至UC。
[t3,t4]時(shí)段:在t3時(shí)刻,Urec下降到UC,DL自然導(dǎo)通于零電壓狀態(tài),又一次形成與D6的換流重疊,使得Urec再次箝位于UC,并滿足式(3)。由于原邊和副邊反映電壓之差在Llk上的作用,ip以下式諧振續(xù)流而減小:
(9)
(10)
式中,t4-3表示[t3，t4]段時(shí)長(zhǎng)。可見，由于箝位電壓對(duì)原邊的反映作用,會(huì)使ip下降復(fù)位加快。此階段DC自然會(huì)零電壓導(dǎo)通。
[t5,t6]時(shí)段:在t5時(shí)刻iDL達(dá)到峰值,ip復(fù)位到零,D6自然關(guān)斷于零電流狀態(tài),換流重疊結(jié)束。本階段原副邊電壓為零,由DL和CC為負(fù)載續(xù)流。
[t6,t7] 時(shí)段:在t6時(shí)刻關(guān)斷Q4,其零電流關(guān)斷過程如前分析。t7時(shí)刻后,H橋工作進(jìn)入后半周期,其過程分析與前半周期完全對(duì)稱。
3 軟開關(guān)條件
3.1 零電壓開關(guān)條件
鑒于通常開關(guān)管的等效結(jié)電容很小,在實(shí)現(xiàn)超前橋臂開關(guān)零電壓導(dǎo)通的前提下,其等效電容應(yīng)適當(dāng)取大些,故需要外接并聯(lián)電容器C1和C2,以便降低關(guān)斷損耗。在[t2，t4]時(shí)段,負(fù)載最輕時(shí),應(yīng)使副邊濾波電感器Lf折合到原側(cè),并與Llk共同參與諧振時(shí)具有足夠能量來保證C1與C2充放電完全,而且能使得上、下橋臂開關(guān)之間的死區(qū)作用時(shí)間td大于uab下降的過渡時(shí)間t4-2。因此,由式(8)可知負(fù)載電流最小值Iomin與td應(yīng)滿足如下條件:
(11)
3.2 零電流開關(guān)條件
本拓?fù)浞桨附o出的續(xù)流和箝位環(huán)節(jié)應(yīng)用無源電路可抑制移相輸出占空比的丟失[14],亦可防止變壓器副側(cè)過沖電壓,提高變換效率。通常應(yīng)選取電容CC足夠大,以穩(wěn)定箝位電壓,然而由于輸出端的濾波電容Co對(duì)原側(cè)電流的復(fù)位也有貢獻(xiàn),并且Co一般取容量較大,加之需要限制其回路環(huán)流在較低值以內(nèi),所以CC在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)不必取太大。假如取CC值足夠大,副側(cè)換流重疊使式(3)箝位關(guān)系滿足,且UC≈Uo。鑒于式(10)及ip在[t4，t5]時(shí)段的變化率,為使原側(cè)電流達(dá)到完全復(fù)位,保證緊接其后的滯后橋臂零電流通斷,H橋移相輸出的占空比最大值dmax應(yīng)滿足條件:
(12)
4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
采用圖1所示新型軟開關(guān)變換電路,研發(fā)了一臺(tái)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。參數(shù)設(shè)計(jì)中依照式(11)和(12)給出的軟開關(guān)條件作為設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,例如取負(fù)載最小電流Iomin=7 A,保證式(11)的兩條件都能滿足。所選參數(shù)如表1所示。
表1 樣機(jī)參數(shù)
由三相二極管整流濾波器提供輸入直流電壓源Uin。在額定功率一半的負(fù)載下以數(shù)字存儲(chǔ)示波器觀察并記錄有關(guān)軟開關(guān)電壓、電流波形如圖4所示,其中圖4(a)與(b)分別表明了Q2超前橋臂ZVS導(dǎo)通與ZVS關(guān)斷的uCE及柵極驅(qū)動(dòng)電壓uGE波形;圖4(c)與(d)分別表明了Q4滯后橋臂ZCS導(dǎo)通與ZCS關(guān)斷的iQ4及uCE波形?？梢妰蓸虮坶_關(guān)均工作于軟開關(guān)通斷狀態(tài)。圖5(a)、(b)和(c)分別示出有關(guān)副邊箝位的uco、urec和iDL、iQ4等電壓電流波形,從中可見,對(duì)應(yīng)于一次側(cè)電流的上升與下降時(shí)段,副邊電壓uco形成明顯的電壓過渡臺(tái)階,此時(shí)箝位二極管DL正處換流重疊通態(tài),表明此時(shí)段uco被箝位于UC,此換流重疊及箝位作用對(duì)一次側(cè)電流的加快復(fù)位起著關(guān)鍵作用。這也與理論分析相吻合,從而也有效地證實(shí)了本拓?fù)浞桨讣袄碚摲治雠c參數(shù)設(shè)計(jì)規(guī)則的正確性與可行性。
圖4 軟開關(guān)電壓、電流波形Fig.4 Soft switching waveforms
對(duì)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)在不同負(fù)載下所繪出的效率曲線如圖6所示,可以看到在比較寬的負(fù)載電流范圍內(nèi)轉(zhuǎn)換效率優(yōu)于85%,當(dāng)負(fù)載接近額定電流(16A)的較大范圍內(nèi)效率可達(dá)到90%以上,這比同容量的普通H橋變換器效率增大約2%左右[15-16],表明本拓?fù)浞桨傅膶?shí)際應(yīng)用價(jià)值比較明顯。
圖5 副邊箝位波形Fig.5 Secondary clamp waveforms
圖6 效率曲線Fig.6 Efficiency curve
5 結(jié)束語(yǔ)
對(duì)新型軟開關(guān)拓?fù)溥M(jìn)行了原理定性闡述,結(jié)合各時(shí)段波形進(jìn)行了理論分析,得出了有關(guān)軟開關(guān)條件,并依此做參數(shù)設(shè)計(jì),完成了樣機(jī)實(shí)驗(yàn)及波形測(cè)試。理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,所提出的無源箝位和續(xù)流拓?fù)淇梢种聘边呺妷哼^沖和移相輸出占空比的丟失問題,而且電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,性能可靠。其CC箝位電容器通過利用換流重疊與充電作用,能達(dá)到工作狀態(tài)的自適應(yīng)切換。滯后橋臂的零電流開關(guān)效果亦正籍于此箝位作用才得以實(shí)現(xiàn)。所提出的移相H橋新型軟開關(guān)變換拓?fù)?、滯后橋臂開關(guān)在全負(fù)載范圍內(nèi)均屬零電流通斷,故其導(dǎo)通和關(guān)斷過程損耗近乎為零。無源箝位與續(xù)流回路中的二極管均為自然通斷,電壓電流應(yīng)力小,消除了硬開關(guān)存在的動(dòng)態(tài)損耗,靜態(tài)損耗微不足道。相比有源箝位輔助電路,無源箝位結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單實(shí)用,而且不存在由晶體管驅(qū)動(dòng)帶來的有源損耗問題。超前橋臂開關(guān)在比較寬的負(fù)載范圍上既屬于零電壓導(dǎo)通，又屬于零電流導(dǎo)通,因此可視其為零導(dǎo)通損耗。至于其關(guān)斷過程,在諧振電容并聯(lián)作用下,易于達(dá)到零電壓關(guān)斷,同時(shí)由于副邊換流轉(zhuǎn)移作用使其開關(guān)電流很小,關(guān)斷過程只存在微弱損耗,近似零電流關(guān)斷?？傊?本變換器軟開關(guān)拓?fù)洳粌H電路簡(jiǎn)捷、原理清晰,而且明顯具備提高效率的作用,適合應(yīng)用于高性能數(shù)字式電源裝置等場(chǎng)合。
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(編輯 修榮榮)
A new soft-switching topology of phase-shift H-bridge converter
ZHANG Jiasheng, XU Xianghua, CHEN Rong, HAO Xiujie
(CollegeofInformationandControlEngineeringinChinaUniversityofPetroleum,Qingdao266580，China)
In view of the current problems in soft-switching converter with complicated topology and greater consumption, a novel soft-switching topology of phase-shift H-bridge converter was presented. Based on the original transformer, rectifier and filtering elements, a passive auxiliary clamp circuit is added. The circuit topology is simple and easy to implement, and requires no active components and additional control. Both ZVS leading-leg and ZCS lagging-leg are realized adaptively. The converter reduces the consumption and improves the system efficiency effectively. The principle of the new soft-switching topology is elaborated qualitatively. Waveforms on every time interval are analyzed theoretically. The soft-switching conditions are derived. The robustness and feasibility of the new topology and the associated theory analyzing method are verified using experimental results.
phase-shift H-bridge； topology； soft-switching； passive auxiliary clamp
2014-06-12
山東省科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2013GSF11607)
張加勝(1957-)，男，教授，博士，博士生導(dǎo)師，主要從事電力電子與電氣自動(dòng)化方面的教學(xué)與科研工作。E-mail:zjsycy2003@126.com。
1673-5005(2015)01-0182-06
10.3969/j.issn.1673-5005.2015.01.027
TM 921
A
張加勝,徐向華,陳榮,等.移相H橋變換器的一種新型軟開關(guān)拓?fù)鋄J].中國(guó)石油大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2015,39(1):182-187.
ZHANG Jiasheng, XU Xianghua, CHEN Rong, et al. A new soft-switching topology of phase-shift H-bridge converter[J]. Journal of China University of Petroleum (Edition of Natural Science),2015,39(1):182-187.
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