畢業(yè)設(shè)計(jì)基于全橋移相的雙極性輸出dc-dc變換器的研究(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 零電壓關(guān)斷 (也稱準(zhǔn)零電壓關(guān)斷 )，其電路結(jié)構(gòu)和主要電量波形分別如圖 21 和圖 22 所示。 inV1gV2gV3gV4gV1Q2Q3Q4Q1C2C3C4C1D3D2D4DlkLT 5D6DfLfC0R圖 21 基本電 路結(jié)構(gòu) 圖 ， inV 是直流輸入電壓； 1Q ~ 4Q 是四個(gè)主功率開關(guān)管； 1gV ~ 4gV分別是 1Q ~ 4Q 的驅(qū)動(dòng)信號(hào)； 1D ~ 4D 和 1C ~ 4C 分別是 1Q ~ 4Q 的反并聯(lián)二極管和并聯(lián)電容； lkL 是變壓器原邊串聯(lián)的諧振電感，包括變壓器的漏感； bC 是第 2 章 移相全橋 DCDC 變換器的工作原理 7 變壓器 原邊 的 隔直電容，用以防止變壓器直流偏磁現(xiàn)象發(fā)生； T為高頻變壓器； 5D 、 6D 是 變壓器 副邊 的 整流二極管； fL 和fC分別是輸出濾波電感和濾波電容； 0R 是負(fù)載。 I 1ttttt I 1LiCbVCbV CbV?abLVi 1gV 1gV4g 4g2gV 3gV 圖 22 主要電量波形圖 DCDC變換器的控制策略 全橋 DCDC變換器的控制策略共有三種，現(xiàn)簡(jiǎn)述如下： 全橋變換器為了得到輸出端的脈寬調(diào)制電壓，實(shí)際上只需在變壓器副邊得到一個(gè)交流方波電壓。為了得到這個(gè)電壓，最傳統(tǒng)的方法就是互為對(duì)角的開關(guān)管導(dǎo)通和關(guān)斷都是同時(shí)進(jìn)行，每只開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間小于半個(gè)周期。 第一種是最傳統(tǒng)的方法，這也是人們常說(shuō)的 ―雙極性控制 ‖。互為對(duì)角的開關(guān)管導(dǎo)通和關(guān)斷都是同時(shí)進(jìn)行的方式，其門極信號(hào)的時(shí)序波形圖如圖 23所示。兩只對(duì)角開關(guān)管開通、關(guān)斷同時(shí)進(jìn)行，開通時(shí)間長(zhǎng)度為小于 (D燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 為占空比， T為開關(guān)周期 )。 1Q2Q3Q4Q 圖 23 全橋變換器的傳統(tǒng) PWM控制方式 實(shí)際上，互為對(duì)角的開關(guān)管的開通或關(guān)斷不一定要在同一時(shí)刻完成。根據(jù)兩 組 橋臂導(dǎo)通時(shí)間的不同，可以得到一組不同的控制策略，即為第二種和第三種控制策略。 第二種控制策略 ―有限雙極性控制 ‖，有兩種情況： 第一種情況是兩只對(duì)角開關(guān)管同時(shí)開通，但不同時(shí)關(guān)斷 .這種情形下，其中一個(gè)管子的導(dǎo)通時(shí)間長(zhǎng)度仍由 ，但另一只管子卻推遲關(guān)斷時(shí)間，最多可以到接近 。這就是所謂的 ―有限雙極性控制 ‖的其中一類情況，可能的實(shí) 現(xiàn)方式有兩種，如圖 24所示。 第 2 章 移相全橋 DCDC 變換器的工作原理 9 2Q 4Q1Q 3 1Q 2Q 34Q 圖 24 有限雙極性控制方式（一） 123Q41Q2Q3Q4 圖 25 有限雙極性控制方式（二） 123Q4 圖 26 移相控制方式 第二種情況是兩只對(duì)角開關(guān)管同時(shí)關(guān)斷，但是不同時(shí)開通。這種情形 下，其 中一個(gè)開關(guān)管的導(dǎo)通長(zhǎng)度仍由 ，但是另外一只開關(guān)管卻將導(dǎo)通燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 時(shí)間提前，使得導(dǎo)通時(shí)間提前，使得導(dǎo)通時(shí)間延長(zhǎng)（最多可以到接近 ）。這就是所謂的 ―有限雙極性控制 ‖的另外 一種情況，可能的實(shí)現(xiàn)方法也有兩種，如圖 25所示。 第三種控制策略是 ―移相控制 ‖。兩只對(duì)角的開關(guān)管開通、關(guān)斷都不同時(shí)進(jìn)行，其中一個(gè)先開通先關(guān)斷，而另一只則后開通后關(guān)斷。如果每個(gè)開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間都能達(dá)到 ，就是 ―移相控制方式 ‖。這種控制策略是本次設(shè)計(jì)采用的控制方式，如圖 26。 與常規(guī)的 PWM變換器相比，移相全橋 PWM變換器具有很明顯的優(yōu)勢(shì)，主要特點(diǎn)是利用變壓器漏感及開關(guān)管結(jié)電容諧振，在不增加額外元器件的情況下，通過(guò)移相控制方式，使功率開關(guān)管實(shí)現(xiàn)了零電壓導(dǎo)通和關(guān)斷 ，減小了開關(guān)損耗，保持了恒頻控制。其主要缺點(diǎn)是 :滯后橋臂開關(guān)管在輕載下將失去零電壓開關(guān)功能，次邊存在較大的占空比丟失，開關(guān)管的開關(guān)為硬開關(guān)，開管損耗大。 DC/DC變換器的基本工作原理 移相全橋 ZVS PWM(FB PSZVSPWM)變換器利用變壓器的漏感或是在高頻變壓器的原邊串聯(lián)的電感和功率管的寄生電容或外接電容來(lái)實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)，電路的主要拓?fù)浼安ㄐ稳鐖D 21所示，其中 lkL 為 諧振電感，它包括變壓器的漏感 pL 和外接電感； 1C ~ 4C 以分別是四個(gè)功率 管 1Q ~ 4Q 的 寄生電容或是外接電容 ； 1D ~ 4D 分別 是四個(gè)功率管的寄生二極管。圖 率管的四個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)及主要工作波形，每 組 橋臂的兩個(gè)功率開關(guān)管成 180176。互補(bǔ)導(dǎo)通，兩 組 橋臂之間的導(dǎo)通角相差一個(gè)相位，即移相角，通過(guò)調(diào)節(jié)移相角的大小來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓。 1Q 和 2Q 分別領(lǐng)先于 4Q 和 3Q 一個(gè)相位，所以稱 1Q和 2Q 組成的橋臂為領(lǐng)先橋臂， 3Q 和 4Q 組成的橋臂為滯后橋臂。 第 2 章 移相全橋 DCDC 變換器的工作原理 11 inV1gV2gV3gV4gV1Q2Q3Q4Q1C2C3C4C1D 3D2D 4DlkLT 5D6DfLfC 0R 圖 27 開關(guān)模態(tài) 0時(shí)的工作狀態(tài) in1gV2gV3gV4gV1Q23Q4Q1C2C3C4C1D 3D2D4DlkLT 5DfLfC 0R 圖 28 開關(guān)模態(tài) 1時(shí)的工作狀態(tài) 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 inV1gV2gV3gV4gV1Q2Q3Q4Q1C2C3C4C1D 3D2D4DlkLT 5D6DfLfC 0R 圖 29開關(guān)模態(tài) 2時(shí)的工作狀態(tài) inV1gV2gV3gV4gV1Q2Q3Q4Q1C2C3C4C1D 3D2D4DlkLT 5DfLfC 0R 圖 210開關(guān)模態(tài) 3時(shí)的工作狀態(tài) 第 2 章 移相全橋 DCDC 變換器的工作原理 13 inV1gV2gV3gV4gV1Q2Q3Q4Q1C2C3C4C1D 3D2D4DlkLT 5D6DfLfC 0R 圖 211 開關(guān)模態(tài) 4時(shí)的工作狀態(tài) inV1gV2gV3gV4gV1Q2Q3Q4Q1C2C3C4C1D 3D2D4DlkLT 5D6DfLfC 0R 圖 212 開關(guān)模態(tài) 5時(shí)的工作狀態(tài) 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 inV1gV2gV3gV4gV1Q2Q3Q4Q1C2C3C4C1D 3D2D4DlkLT 5D6DfLfC 0R 圖 213開關(guān)模態(tài) 6時(shí)的工作狀態(tài) 在一個(gè)開關(guān)周期中，移相控制 ZVS PWM DC/DC全橋變換器有 12種開關(guān)狀態(tài)。在分析之前，做出如下假設(shè)：所有開關(guān)管，二極管為理想器件，所有電容，電感和變壓器為理想元件。 各開關(guān)狀態(tài)的工作情況描述如下： (1) 開關(guān)模態(tài) 0 在 0t 時(shí)刻之前，開關(guān)管 1Q 和 4Q 維持導(dǎo)通， 2Q 和 3Q 截止，相當(dāng)于電源電壓直接加在變壓器原邊對(duì)其進(jìn)行充電，電網(wǎng)的能量不斷轉(zhuǎn)化為磁能儲(chǔ)存于電感線圈和送到負(fù)載，表現(xiàn)為原副邊電流的不斷增大。原邊電流由電源正經(jīng)由 1Q ， 諧振電感 lkL ， 變壓器原邊繞組以及 4Q ，最后回到電源負(fù)級(jí)，在 t0時(shí)刻原邊電流達(dá)到最大值。這時(shí)副邊電流回路是：副邊繞組的正端，經(jīng)整流管5D ， 輸出濾波電感 fL ，輸出濾波電容 fC 與負(fù)載 0R ，回到副邊繞組的負(fù)端。如圖 27所示 。 在此時(shí)間段內(nèi)： 第 2 章 移相全橋 DCDC 變換器的工作原理 15 ? ? ? ?2() plk f in C bd i tL n L V v tdt? ? ? (21) 可得： ? ? 12in op rfV nVi t t IL n L???? (22) 由于 2lk fL n L n為變壓器原副邊匝數(shù)之比，上式可以簡(jiǎn)化為： ? ? 12in op fV nVi t t InL??? (23) (2)開關(guān)模態(tài) 1， 01[ , ]tt 在 0t 時(shí)刻關(guān)斷 1Q ，原邊電流從 1Q 中轉(zhuǎn)移到 1C 和 3C 支路中，給 1C 充電，同時(shí) 3C 放電。由于有 3C 和 1C ， 1Q 是零電壓關(guān)斷。這段時(shí)間內(nèi)諧振電感和濾波電感是串聯(lián)的，而且很大，因此可以認(rèn)為原邊電流近似不變，類似一個(gè)恒流源。原副邊的電流回路如圖 28所示。此時(shí)對(duì)電路有： 12c pdVC i Idt ?? (24) 即： 1 () 2pC IV t tC? (25) 1 () 2pC in IV t V tC?? (26) 在 1t 時(shí)刻， 1C 的電壓上升到 inV ， 3C 的電壓下降到零， 3Q 的反并聯(lián)二極管 3D 自然導(dǎo)通。從而結(jié)束該模態(tài)。此模態(tài)經(jīng)歷的時(shí)間為： 01 2= inpVCt I? (27) Q1和 Q3之間的導(dǎo)通延遲時(shí)間 dt 01t ， 即 2 indpVCt I?? (28) (3) 開關(guān)模態(tài) 2， 12[, ]tt 3D 開通后 ,開通 3Q 。雖然 3Q 被開通，但 3Q 并沒有電流通過(guò)，原邊電流由 3D 流過(guò)。由于是在 3D 導(dǎo)通時(shí)開通 3Q ，所以 3Q 是零電壓開通。原副邊的電流回路如圖 29所示。在這段時(shí)間里，原邊等于折算得到副邊的濾波電感燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 電流。 2t 時(shí)刻，原邊電流下降到 2I 。 (4) 開關(guān)模態(tài) 3， 23[ , ]tt 2t 時(shí)關(guān)斷 4Q 。原邊電流由 2C ， 4C 兩條途徑提供，即原邊電流 Ip用來(lái)抽走 2C 上的電荷，同時(shí)又給 4C 充電。由于 2C 和 4C 的存在， 2Q 是零電壓關(guān)斷。此時(shí)4AB CVV??， ABV 的極性自零變?yōu)樨?fù)，變壓器副邊繞組電勢(shì)下正上負(fù)，整流二極管同時(shí)導(dǎo)通，將變壓器副邊繞組短接，這樣變壓器副邊繞組電壓為零，原邊繞組電壓也為零， ABV 直接加到諧振電感上。這段時(shí)間里實(shí)際上諧振電感和 2C 、 4C 在諧振工作。在 2t 時(shí)刻，當(dāng) 4C 電壓上升到 inV ， 2D 自然導(dǎo)通，這一模態(tài)結(jié)束。原副邊的電流回路如圖 210所示： 這段時(shí)間里實(shí)際上諧振電感 lkL 和 2C 、 4C 在諧振工作。由電路結(jié)構(gòu)可得： 4prCdiLudt ?? (29) 4log 12C pduCidt ? (210) 即： 2log 22 prpdiL C idt ?? (211) 令log12CrL?? ，解得： ? ?22cospi I t t??? (212) 4 22lo g s in ( )2rC Lu I t tC ??? (213) 令log2rp LZ C? ，則有： 4 22si n ( )Cpu Z I t t??? (214) 2 22si n ( )C in pu V Z I t t?? ? ? (215) 在 3t 時(shí)刻， 4Q 電壓上升至 inV ， 2C 電壓下降到零， 2D 自然導(dǎo)通，開關(guān)管2Q 和 4Q 的導(dǎo)通延遲時(shí)間 t4： 121 sin indpVt ZI? ? ??? ???? (216) 第 2 章 移相全橋 DCDC 變換器的工作原理 17 (5) 開關(guān)模態(tài) 4， 34[ , ]tt 在 3t 時(shí)刻， 2D 自然導(dǎo)通，將 2Q 的電壓箝在零位，此時(shí)開通 2Q ， 2Q 是零電壓開通。雖然此時(shí) 2Q 已經(jīng)開通，但 2Q 不流過(guò)電流，原邊電流從 2D 流通。原邊諧振電感的儲(chǔ)能回饋給輸