移相全橋ZVS變換器的改進(jìn)與仿真

許 杰，馬小三

（安徽工業(yè)大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，安徽馬鞍山 243000）

近年來(lái)，隨著新能源汽車的快速發(fā)展，人們對(duì)電源裝置的要求越來(lái)越高。移相全橋零電壓開(kāi)關(guān)（phase shift full bridge-zero voltage switching，PSFB-ZVS）變換電路因其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不但可以有效降低開(kāi)關(guān)損耗，還可以完成功率的高效轉(zhuǎn)換，從而成為中大功率應(yīng)用場(chǎng)合的理想拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之一。PSFB-ZVS 變換電路的不足之處主要有占空比丟失、滯后橋臂軟開(kāi)關(guān)不易實(shí)現(xiàn)、整流側(cè)存在尖峰電壓等［1-3］。

為了彌補(bǔ)占空比的丟失，本文對(duì)移相全橋的原理及工作模態(tài)進(jìn)行深入分析，提出使用飽和電感的方法來(lái)解決此拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)存在的占空比丟失問(wèn)題，最后利用MATLAB/simulink 軟件對(duì)PSFBZVS 拓?fù)溥M(jìn)行仿真，驗(yàn)證了理論分析的正確性和有效性［4-9］。

1 移相全橋的原理及模態(tài)分析

移相式全橋零電壓開(kāi)關(guān)（pulse width modulation，PWM）電路控制方式是基于相同的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，通過(guò)改變前后橋臂間的移相角，設(shè)置一定的死區(qū)時(shí)間［10-11］，利用諧振電感和諧振電容來(lái)實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)關(guān)，從而有效避免硬開(kāi)關(guān)電路帶來(lái)的各種問(wèn)題，同時(shí)還實(shí)現(xiàn)了減小損耗，提高可靠性的目的，傳輸效率得到大大提升［12-14］。

圖1 為改進(jìn)型PSFB-ZVS 的主電路圖，其波形如圖2 所示。圖1 中Q1與Q2構(gòu)成超前橋臂，Q3與Q4構(gòu)成滯后橋臂；D1、D2、D3、D4均為續(xù)流二極管，D5、D6為整流二極管；Uin代表輸入電壓；R為負(fù)載；C1、C2、C3、C4均為并聯(lián)電容，且C1=C2=Clead（Clead為超前臂諧振電容），C3=C4=Clag（Clag為滯后臂諧振電容）；L1是諧振電感；L2與C 構(gòu)成濾波電路；Lp表示原邊繞組；Ls是副邊折算到原邊的電感量，根據(jù)匝比關(guān)系可得Ls=n2L2＞＞L1（n為變壓器的匝比）。為避免器件對(duì)電路產(chǎn)生影響，假定所有器件均處在理想狀態(tài)。

圖2中Uab為圖1中a、b兩端的電壓，Uo為R兩端電壓，ip為原邊電流。在此分析前半周期Ts/2（Ts為一個(gè)完整周期）的6個(gè)工作模態(tài)，假設(shè)t0為初始時(shí)刻。

在模態(tài)一的［t0，t1］時(shí)間段，原邊處在正半周期的功率輸出階段，此時(shí)Q1、Q4導(dǎo)通，Q2、Q3關(guān)斷，原邊電流ip經(jīng)過(guò)Q1→L1→Lp→Q4回路，Uab=Uin。在電源能量傳遞到負(fù)載的過(guò)程中，電感L2和電容C儲(chǔ)能，依據(jù)變壓器同名端原則，副邊二極管D6關(guān)斷、D5開(kāi)通，此時(shí)Ua=Uab=UC2=UC3=Uin，Ub=0，原邊電流ip表達(dá)式為：

式中：I0為原邊電流ip在t0時(shí)刻的電流，A。

在模態(tài)二的［t1，t2］時(shí)間段，超前橋臂發(fā)生諧振，電流ip換向至電容C1和C2。當(dāng)C1開(kāi)始充電而C2開(kāi)始放電時(shí)，a 點(diǎn)電壓降為0，C1兩端電壓升至Uin，此時(shí)，原邊電流ip、電容C1兩端的電壓UC1、電容C2兩端的電壓UC2的表達(dá)式分別為：

式中I1為原邊電流ip在t2時(shí)刻的電流，A。

由于Ls遠(yuǎn)大于L1，原邊電流ip幾乎不變，可以看作一個(gè)恒流源。因此模態(tài)二持續(xù)時(shí)間t12為：

在模態(tài)三的［t2，t3］時(shí)間段，二極管D2完全開(kāi)通，開(kāi)關(guān)管Q2兩端的電壓被鉗位在0，此時(shí)如果給Q2一個(gè)導(dǎo)通信號(hào)，那么Q2可實(shí)現(xiàn)ZVS 的開(kāi)通功能。假定td為死區(qū)時(shí)間，為確保Q2實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)通，需滿足td＞t2-t1。此時(shí)UC1=UC3=Uin，Ua=Ub=Uab=0，原邊電流ip經(jīng)過(guò)L1→Lp→Q4→D2。

在此模態(tài)，原邊電流ip等于副邊濾波電感L2的電流折算到原邊的電流值。直到t3時(shí)刻，原邊電流下降到I2，原邊電流表達(dá)式為：

式中iL2（t）表示t時(shí)刻副邊濾波電感L2的電流，A。

在模態(tài)四的［t3，t4］時(shí)間段，原邊電流ip給電容C4供電，同時(shí)抽走C3兩端電荷，從而C4兩端電壓升至Uin、C3兩端電壓降至0。期間副邊電感L2中的電流方向不能立即改變，所以副邊二極管D5、D6均導(dǎo)通，而電容C3、C4和電感L1參與諧振，滯后橋臂處于諧振狀態(tài)。此時(shí)原邊電流ip、電容電壓UC3、UC4以及模態(tài)四的持續(xù)時(shí)間t34的表達(dá)式分別為：

式（7）~式（10）中，滯后臂的諧振角頻率ω=，諧振阻抗

在模態(tài)五的［t4，t5］時(shí)間段，通過(guò)二極管D3續(xù)流，Q3兩端的電壓被鉗位在0，此時(shí)如果給Q3一個(gè)開(kāi)通信號(hào)，那么Q3就可完成ZVS開(kāi)通，但ip的電流方向并沒(méi)有發(fā)生改變，仍經(jīng)過(guò)D3進(jìn)行續(xù)流。此時(shí)，原邊電流ip經(jīng)L1→Lp→D3→D2回路流過(guò)，原邊電感向電網(wǎng)反饋能量。該模態(tài)的原邊電流ip與持續(xù)時(shí)間t45的表達(dá)式分別為：

式中ip（t4）表示t4時(shí)刻的原邊電流，A。

在模態(tài)六的［t5，t6］期間，Q1、Q4關(guān)閉，Q2、Q3導(dǎo)通。從t5時(shí)刻開(kāi)始，原邊電流ip過(guò)零反向增大，并從Q3→Lp→L1→Q2回路流過(guò)。該模態(tài)的原邊電流ip與持續(xù)時(shí)間t56的表達(dá)式分別為：

式中iL2（t6）表示t6時(shí)刻副邊濾波電感L2的電流，A。

2 PSFB主要問(wèn)題和拓?fù)涓倪M(jìn)

經(jīng)過(guò)上述分析，PSFB-ZVS 變換電路中的原邊換流時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致副邊占空比丟失。在原邊換向過(guò)程中，副邊二極管均開(kāi)通，整流電路相當(dāng)于被短路，根據(jù)楞次定理，流過(guò)電感的電流會(huì)滯后于施加在電感上的電流，但可以利用飽和電感來(lái)縮短換流所需時(shí)間。當(dāng)電感已經(jīng)飽和時(shí)，其滯后作用喪失，沒(méi)有辦法再存儲(chǔ)更多的能量，繼而增加在上面的所有能量都會(huì)被傳遞出去，此時(shí)經(jīng)過(guò)電感的電流就立即轉(zhuǎn)化為飽和電流，明顯降低了換流所需的時(shí)間t36。假設(shè)丟失的占空比為Dloss，則Dloss、t36表達(dá)式分別如下：

圖3 為使用飽和電感和一般電感的電路比較圖。將兩曲線比較可知，在ip剛開(kāi)始換向時(shí)，ip已經(jīng)很大，即電感飽和近似于短路，從而電流立即減小，ip開(kāi)始換流并呈線性下降，直至電感不飽和；換流后ip再次一直增加，直至電感恢復(fù)飽和，電流立即增大，然后開(kāi)始新的換向。由以上分析可知，直接使用飽和電感代替一般電感可以減少換流時(shí)間，從某種意義上來(lái)說(shuō)也減少了占空比的丟失。

3 仿真設(shè)計(jì)與結(jié)果

利用MATLAB/simulink 軟件對(duì)PSFB 變換器進(jìn)行仿真驗(yàn)證，仿真電路如圖4 所示。仿真參數(shù)設(shè)置如下：Uin=400 V，fs=100 kHz，Po=1 kW，L1=25 μH，L2=18 μH，C=50 μF，Uo=50 V。

圖5、圖6 分別為開(kāi)關(guān)管Q1、Q4的UDS及UGS的仿真波形。由圖5、圖6 可知，當(dāng)UGS從0 開(kāi)始上升時(shí)，UDS均已經(jīng)降為0，電流分別由二極管D1、D4進(jìn)行續(xù)流，因此Q1、Q4都實(shí)現(xiàn)了ZVS開(kāi)通。

PSFB 變換器原邊電壓和電流的波形如圖7所示。觀察圖7可知，占空比的丟失與漏感有關(guān)，漏感越小，占空比出現(xiàn)丟失的情況越少；但漏感過(guò)小會(huì)導(dǎo)致開(kāi)關(guān)管無(wú)法完成零電壓開(kāi)關(guān)的功能。

PSFB 變換器改進(jìn)前后的原邊電流波形如圖8 所示。分析圖8 可知，改進(jìn)后t6時(shí)刻點(diǎn)比原來(lái)提前了，因此換流時(shí)間t36縮短了，由公式（15）可知占空比丟失減少了。

對(duì)負(fù)載R兩端的輸出電壓Uo進(jìn)行仿真，得到圖9 所示的波形圖。由圖9 可以看出，輸出電壓Uo經(jīng)0.7 ms左右達(dá)到穩(wěn)定值50 V。

圖10 為輸出電壓Uo的紋波電壓。由圖10 可以看出電壓紋波滿足設(shè)計(jì)要求。

通過(guò)以上仿真結(jié)果，可知PSFB-ZVS 變換電路可以實(shí)現(xiàn)恒壓輸出，且設(shè)計(jì)的參數(shù)比較合理，仿真結(jié)果進(jìn)一步說(shuō)明了改進(jìn)的正確性。

4 結(jié)論

由仿真圖形可知，占空比的丟失與漏感存在必然聯(lián)系，表現(xiàn)為漏感越小占空比丟失越少。因此漏感小些比較好，但漏感太小又會(huì)影響軟開(kāi)關(guān)效果，甚至起不到軟開(kāi)關(guān)的作用。所以通過(guò)對(duì)電感進(jìn)行計(jì)算選擇，實(shí)現(xiàn)了電壓的穩(wěn)定輸出，MATLAB/simulink 仿真結(jié)果也驗(yàn)證了理論分析的正確性。