零压零流开关电源的研究与应用

    摘要：提出一种新型的软开关电路拓扑，通过仿真分析和试验验证，实现了变换器的零压零流开关特性，降低了开关损耗，并已应用于通信开关电源。

    关键词：变换器  零压零流开关  仿真

1 引言

    目前，具有谐振软开关和PWM控制特点的，相移全桥零电压PWM(FBZVSPWM)变换器得到了广泛应用，由于功率开关器件实现了零电压开关，从而减小了开关损耗，提高了电源系统的稳定性。但是，FBZVSPWM变换器仍然存在占空比丢失严重、环路导通损耗大等缺点。为此，在以上研究的基础之上，本文提出了一种新型的零电压零电流拓扑结构，改善了器件的运行状态，通过仿真分析和试验研究，实现了变换器的零压零流开关特性，并已成功用于通信开关电源。

2 工作原理

    相移全桥零压零流PWM(FBZVZCSPWM)逆变电路的结构如图1所示。S1～S4为功率开关器件，D1～D4为器件自身反并二极管，D5和D6为阻断二极管，C1～C2为S1和S2的旁路电容，Cb为隔直电容。零压零流逆变电路的相关波形如图2所示。

    在零压零流软开关逆变电路的工作过程中，半个周期有六种工作模式，如图3所示。具体工作过程如下：

    Mode1:

    [t0～t1]期间，S1、S4导通，uAB=Ui，变压器T向次级传递能量，隔直电容Cb电压线性上升。

    Mode2:

    [t1～t2]期间，S1关断，S4仍然导通，S1两端并联电容C1充电至Ui,S2两端并联电容放电至零时，S2的反并联二极管D2导通，若S2随后导通，即为零电压导通。

    Mode3:

    [t2～t3]期间，S1、S4导通，uAB=0，隔直电容Cb电压全部加在变压器T漏感上，初级电流线性下降至零。

    [t3～t4]期间，S2、S4导通，阻断二极管D6阻止初级电流反向流动，变压器初级无电流流过，仍将保持为零。

    Mode5:

    [t4～t5]期间，S4关断，S2导通。由于初级无电流流过，S4的关断为零电流关断，电路处于开路状态。

    Mode6:

    [t5～t6]期间，S2、S3导通，初级电流瞬时仍保持为零。随后，初级电流增大，隔直电容电压线性下降，变压器初级向次级传递能量。

3 电路特点

    零压零流软开关逆变电路利用了与滞后臂串联阻断二极管的阻断工作特性，可以在宽负载范围内实现超前臂功率器件的零电压开关和延迟臂功率器件的零电流开关。

3.1 超前臂功率器件的零电压开关

    与零压软开关逆变电路一样，零压零流软开关逆变电路超前臂功率器件的零电压开通可通过输出滤波电感中的能量来实现，其软开关程度主要取决于旁路电容和原边电流。

    旁路电容充放电时间为：

    t=2CUi / Ip

    式中：Ui——输入直流电压；

    C——超前臂功率器件旁路电容量；

    Ip——初级电流，类似一个恒流源。

    功率器件开通时，变压器初级电流已通过器件反并二极管流动，集射极间电压为零。若旁路电容量较大，电路不仅可以在宽负载范围内实现零电压导通，而且可减小IGBT的关断损耗。

3.2 延迟臂功率器件的零流开关

    在续流阶段，变压器初级电流保持为零，延迟臂功率器件的开通和关断都将在零电流条件下完成的，减小了IGBT的开关损耗。如果延迟臂实现零电流开关，初级电流必须在延迟臂关断之前从负载电流减小为零，并在此后保持为零。

    初级电流从负载电流降低为零的时间为：

    t=4LlkCb / DTs

    式中：Llk——主变压器漏感量；

    Cb——隔直电容量；

    D——占空比；

    Ts——开关周期。

    从上式可以看出，电流下降时间与负载无关，因此，如果开关时间设置合适，延迟臂可以在任意负载范围内实现零电流开关。

4 试验研究

    采用FB-ZVZCS-PWM变换器，成功研制出大功率通信开关电源。具体技术参数如下：

    输入电压：三相380V

    开关频率：25kHz

    输出功率：≥3kW

    效率：≥92％

    超前臂功率器件的电流波形和集射极间电压波形、延迟臂功率器件的电流波形和集射极间电压波形、变压器初级电流波形和逆变电路中点电压波形如图4所示，其中，(a)(c)(e)为仿真波形，(b)(d)(f)为试验波形。

5 结语

    通过以上分析和试验研究，得出以下结论：

    （1）FB-ZVZCS-PWM逆变电路可在宽负载范围内实现超前臂功率器件的零电压和延迟臂功率器件的零电流开关；

    （2）续流阶段，变压器初级电流为零，有效降低了环路损耗；

    （3）与FB-ZVS-PWM逆变电路相比，效率明显提高。