PSFB-ZVS電路的研究

李　群

(中國船舶重工集團(tuán)公司第723研究所，揚(yáng)州 225001)

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PSFB-ZVS電路的研究

李群

(中國船舶重工集團(tuán)公司第723研究所，揚(yáng)州 225001)

摘要：軟開關(guān)技術(shù)的應(yīng)用使得中大功率電源在體積、效率等方面的性能有較大的提升。對一種中大功率開關(guān)電源的軟開關(guān)電路進(jìn)行仿真研究，該電路采用移相全橋零電壓開關(guān)(PSFB-ZVS)變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，應(yīng)用比例積分(PI)控制器和移相角調(diào)節(jié)技術(shù)實(shí)現(xiàn)電壓的穩(wěn)定輸出，且4個(gè)開關(guān)管實(shí)現(xiàn)零電壓開通。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的電源性能良好，可作為后續(xù)的數(shù)字化電源的研究參考。

關(guān)鍵詞：移相全橋；軟開關(guān)技術(shù)；Matlab仿真

0引言

移相全橋零電壓開關(guān)(PSFB-ZVS)變換器電路是一種較成功的軟開關(guān)變換器，具備功率變壓器利用率高、輸出功率大、開關(guān)器件電壓應(yīng)力低等傳統(tǒng)全橋變換器的優(yōu)點(diǎn);同時(shí)由于工作在軟開關(guān)狀態(tài)下,開關(guān)損耗小，效率較高:因此移相全橋ZVS變換器已廣泛應(yīng)用在中、大功率場合。

開關(guān)電源若想實(shí)現(xiàn)小型化，最直接的辦法是提高開關(guān)頻率。但開關(guān)頻率越高，其開關(guān)損耗越大，電路的效率隨之降低，電磁干擾隨之增大。軟開關(guān)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)對于改善電源損耗、提高工作頻率、降低電源體積與重量有著顯著的作用。零電壓開關(guān)技術(shù)是軟開關(guān)技術(shù)中的一種，其利用電感與電容組成諧振電路，使開關(guān)器件中的電壓按照正弦或準(zhǔn)正弦的規(guī)律變化，當(dāng)開關(guān)器件開通前，使其電壓降為零，從而達(dá)到減少開關(guān)損耗的目的[1]。

1移相全橋ZVS變換器原理

1.1電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

移相全橋ZVS變換器主拓?fù)鋱D如圖1所示，電路結(jié)構(gòu)主要包括全橋電路的4個(gè)功率開關(guān)管(Q1～Q4)、4個(gè)開關(guān)管的體二極管(D1～D4)、4個(gè)開關(guān)管的結(jié)電容(C1～C4)、諧振電感Lr、變壓器、全波整流電路的2個(gè)整流二極管(DR1，DR2)、輸出濾波電感Lf、輸出濾波電容Cf。

圖1　移相全橋ZVS變換器主拓?fù)鋱D

1.2電路工作原理

圖2為移相全橋電路的工作模態(tài)示意圖。以往

的全橋電路控制方式是使開關(guān)管Q1與Q4，Q2與Q3同時(shí)開通與關(guān)斷，2對開關(guān)管交替開通與關(guān)斷，每只開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間小于1/2開關(guān)周期。而移相控制方式是對以往控制方式的一種改進(jìn)，在保證變壓器原邊電壓波形不變和同一橋臂上下開關(guān)管不直通的狀態(tài)下，4只開關(guān)管始終是處于全脈寬(除死區(qū)外)導(dǎo)通狀態(tài)。

如圖2所示，Vgs為4個(gè)開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)波形，Q1(Q3)超前于Q4(Q2)α電角度開通，α即為移相角。通常將Q1與Q3構(gòu)成的橋臂稱為超前臂，Q2與Q4構(gòu)成的橋臂為滯后臂。通過調(diào)節(jié)移相角α的大小即可調(diào)節(jié)變壓器原邊交流方波電壓占空比，從而調(diào)節(jié)輸出電壓的大小。

圖2　移相全橋ZVS變換器工作模態(tài)

1.3軟開關(guān)實(shí)現(xiàn)原理

移相全橋ZVS的實(shí)現(xiàn)主要是依靠變壓器漏感和外接諧振電感中的儲能對并聯(lián)在開關(guān)管兩端的電容和寄生電容充放電，并利用開關(guān)管體二極管的導(dǎo)通箝壓，使得開關(guān)管實(shí)現(xiàn)零電壓開通。如圖2所示，t0～t1期間超前臂發(fā)生諧振，在t1時(shí)刻開關(guān)管Q3的漏源之間電壓諧振到零，之后諧振電流經(jīng)體二極管續(xù)流，維持Q3漏源極之間的零電壓，在此狀態(tài)下施加Q3開通信號，即可實(shí)現(xiàn)Q3的零電壓開通。同樣在t2～t3時(shí)間段內(nèi)，滯后臂發(fā)生諧振，Q2在t4時(shí)刻實(shí)現(xiàn)零電壓開通。依次類推Q1、Q4都能實(shí)現(xiàn)零電壓開通。不同的是發(fā)生超前臂諧振時(shí)，實(shí)現(xiàn)ZVS的能量主要由變壓器漏感、外接諧振電感Lr和輸出濾波電感提供；而滯后臂諧振時(shí)，實(shí)現(xiàn)ZVS的能量主要由變壓器漏感和外接諧振電感提供。一般漏感儲能較少，在輕載的時(shí)候，滯后臂實(shí)現(xiàn)ZVS較為困難[2-4]。

2移相全橋ZVS變換器仿真

2.1仿真模型

本文設(shè)計(jì)的移相全橋ZVS變換器電路仿真模型如圖3所示。圖中功率電路主拓?fù)洳捎脠D1的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，變壓器一次側(cè)采用移相全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，變壓器二次側(cè)采用全波整流結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)仿真參數(shù)如下：輸入電壓為直流435 V，輸出電壓為50 V，輸出功率為500 W，開關(guān)頻率為300 kHz，諧振電感Lr，感量為100 μH，變壓器取變比K=7，輸出濾波電感Lf感量為15 μH，輸出濾波電容Cf容量取220 μF。

圖3　移相全橋電路仿真圖

圖3中PI控制器即為仿真電路的控制部分，本文采用的是電壓單環(huán)控制策略，通過PI控制器控制實(shí)現(xiàn)輸出穩(wěn)壓。在圖3中的脈寬調(diào)制(PWM)驅(qū)動(dòng)模塊里，通過π與前級PI控制器輸出做差后即可得到所需的移相角。具體產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號，則在PWM驅(qū)動(dòng)模塊里通過Simlink中的傳輸延遲器件，在由脈沖產(chǎn)生器產(chǎn)生的互補(bǔ)信號基礎(chǔ)上分別設(shè)置對應(yīng)的需延遲的移相角，即可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)移相角的開關(guān)管驅(qū)動(dòng)。

2.2移相全橋ZVS變換器仿真結(jié)果

仿真模型系統(tǒng)根據(jù)電路的狀態(tài)產(chǎn)生合適的移相角，使得輸出電壓趨于穩(wěn)定。圖4所示自上而下分別為開關(guān)管Q1～Q4的驅(qū)動(dòng)信號。為避免直通，同一橋臂上下開關(guān)管驅(qū)動(dòng)存在死區(qū)，同時(shí)對角開關(guān)管(Q1與Q4、Q3與Q2)相差一定的移相角才相繼導(dǎo)通。

圖4　開關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號

圖5中自上而下分別為滿載時(shí)輸出電壓與電流的波形圖。 從圖5可以看出，電路系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)，其輸出電壓穩(wěn)定在50 V左右，電流穩(wěn)定在10 A左右，且電壓紋波較小，滿足所需設(shè)計(jì)的輸出要求。在系統(tǒng)仿真初期，電路未達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)，輸出電壓有一超調(diào)，經(jīng)過環(huán)路調(diào)節(jié)后，系統(tǒng)很快達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

圖5　滿載時(shí)輸出波形

圖6中自上而下分別為變壓器一次側(cè)電壓波形和二次側(cè)電壓波形。對比圖6中一次側(cè)、二次側(cè)電壓波形可以看出，變壓器二次側(cè)的占空比小于一次側(cè)占空比，這是由于諧振狀態(tài)的存在，導(dǎo)致二次側(cè)發(fā)生占空比丟失[2-3]。

圖6　變壓器一次側(cè)、二次側(cè)電壓波形

如前文所述可知，軟開關(guān)在負(fù)載較重時(shí)容易實(shí)現(xiàn)，并且移相全橋ZVS變換器的超前臂較滯后臂更容易實(shí)現(xiàn)ZVS，所以只要滿足使滯后臂實(shí)現(xiàn)ZVS，就可使超前臂實(shí)現(xiàn)ZVS。圖7自上而下依次為滯后臂開關(guān)管漏源電壓波形和對應(yīng)的驅(qū)動(dòng)波形，從圖中可以看出在開關(guān)管導(dǎo)通前，漏源兩端電壓已降為零，在開關(guān)管關(guān)斷后，漏源兩端電壓開始線性上升，從而實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)功能。

圖7　滯后臂軟開關(guān)波形

3試驗(yàn)結(jié)果

圖8(a)所示為基于以上所述設(shè)計(jì)的電源樣機(jī)，圖8(b)為滯后臂軟開關(guān)波形圖。波形圖中CH1為

滯后臂開關(guān)管驅(qū)動(dòng)波形(橫軸：500 ns/格，縱軸：5 V/格)，CH2為開關(guān)管漏源電壓波形(橫軸：500 ns/格，縱軸：500 V/格)。從圖中可看出滯后臂開關(guān)管開通時(shí)，開關(guān)管漏源電壓已降為0 V，即樣機(jī)實(shí)現(xiàn)了零電壓開通功能。

4結(jié)束語

本文針對大中功率開關(guān)電源的軟開關(guān)電路進(jìn)行了仿真研究。仿真及試驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)輸出達(dá)到所需的要求，零電壓開通功能得以實(shí)現(xiàn)。通過對拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及模型參數(shù)修改，本方法同樣適用于高壓電源仿真設(shè)計(jì)。另外，數(shù)字化也是開關(guān)電源未來發(fā)展的一個(gè)重要方向。

本文中除了拓?fù)潆娐窞楸貍涞挠布?，針對電路的控制策略即所設(shè)計(jì)的PWM調(diào)制模塊和PI控制器模塊均可實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，可作為后續(xù)數(shù)字化電源的研究參考。

圖8　電源樣機(jī)及滯后臂軟開關(guān)波形

參考文獻(xiàn)

[1]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,2000.

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[4]邱爽,王志強(qiáng).ZVS移相全橋變換器的建模與仿真[J].通信電源技術(shù),2008,25(4):6-8.

Study of PSFB-ZVS Circuit

LI Qun

(The 723 Institute of CSIC,Yangzhou 225001,China)

Abstract:The performances (such as volume,efficiency) of the power supply with middle-high power are improved greatly by using the soft-switch technology.This paper performs simulative study to the soft-switch circuit of a switch power supply with middle-high power.The circuit adopts topology structure of phase-shifted full-bridge zero voltage switching (PSFB-ZVS) converter,applies the proportion integration (PI) controller and the phase-shifted angle adjustment technique to realize the stable output of voltage,and accomplishes zero voltage switching by means of 4 switch tubes.The experiment result shows that the designed power supply has good performance and can be taken as the reference of future digital power supply study.

Key words:phase-shifted full-bridge;soft-switch technology;Matlab simulation

DOI:10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.01.024

中圖分類號：TN710

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：CN32-1413(2016)01-0105-04

收稿日期:2015-01-19