ZVZCS移相全桥软开关工作原理详解

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  ZVZCS移相全桥软开关工作原理

  (1)主电路拓扑

  本设计采用ZVZCSPWM移相全桥变换器,采用增加辅助电路的方法复位变压器原边电流,实现了超前桥臂的零电压开关(ZVS)和滞后桥臂的零电流开关(ZCS)。电路拓扑如图3.6所示。

ZVZCS

  当1S、4S导通时,电源对变压器初级绕组正向充电,将能量提供给负载,同时,输出端钳位电容Cc充电。当关断1S时,电源对1C充电,2C通过变压器初级绕组放电。由于1C的存在,1S为零电压关断,此时变压器漏感kL和输出滤波电感oL串联,共同提供能量,由于Cc的存在使得变压器副边电压下降速度比原边慢,导致电位差并产生感应电动势作用于

  kL,加速了2C的放电,为2S的零电压开通提供条件。当Cc放电完全后,整流二极管全部

  导通续流,在续流期间原边电流已复位,此时关段4S,开通3S,由于漏感kL两边电流不能突变,所以4S为零电流关断,3S为零电流开通。

  (2)主电路工作过程分析

  半个周期内将全桥变换器的工作状态分为8种模式。

  ①模式1

  1S、4S导通,电源对变压器初级绕组正向充电,将能量提供给负载,同时,输出端箝

  位电容Cc充电。输出滤波电感oL与漏感kL相比较大,视为恒流源,主电路简化图及等效电路图如图3.7所示。

ZVZCS

  由上图可以得到如下方程:

ZVZCS
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  ②模式2

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  ③模式3

  S1关断,原边电流从S1转移至C1和C2,C1充电,C2放电,简化电路如图3.9所示。由于C1的存在,S1是零电压关断。变压器原边漏感kL和输出滤波电感oL串联,共同提供能量,变压器原边电压abV和整流桥输出电压以相同的斜率线性下降,满足:

ZVZCS
ZVZCS

  ④模式4

  当整流桥输出电压rV线性降至箝位电压CcV时,hD导通,由于Cc的存在使得变压器副边电压下降速度比原边慢,导致电位差并产生感应电动势作用于kL,加速了C2的放电,为S2的零电压开通提供条件。简化电路及等效电路如图3.10所示。

ZVZCS

  由上图可建立如下方程:

ZVZCS
ZVZCS
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  ⑤模式5

  C2被放电完全,Ds2导通,此时开通S2,由于Ds2的存在,S2为零电压开通,变压器原边电压abV为零,简化电路及等效电路如图3.11所示。

ZVZCS

  根据上图可建立如下方程:

ZVZCS
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  ⑥模式6

  原边电流复位到零后,Cc提供负载电流,二次侧整流桥输出电压迅速下降,满足:

ZVZCS

  该模式的简化电路及等效电路如图3.12所示。

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  ⑦模式7

  Cc被放电到零,整流二极管D1~D4全部导通,负载电流通过整流二极管续流,续流期间关断S4,由于原边电流已复位,因此S4为零电流关断。其简化电路如图3.13所示。

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  ⑧模式8

  进入该模式时,S3零电流导通,由于变压器漏感kL两端电流不能突变,因此原边电流pI线性增加,满足:

ZVZCS

  其简化电路如图3.14所示。

ZVZCS

  以移相全桥为主电路的软开关电源设计

  仿真与实验结果分析

  PSpice是一款功能强大的电路分析软件,对开关频率70kHz的ZVZCS软开关电源的仿真是在PSpice9.1平台上进行的。

  实验样机的主回路结构采用图1所示的电路拓扑,阻断二极管采用超快恢复大功率二极管RHRG30120,其反向恢复时间在100ns以内,满足70kHz开关频率的要求。开关管MOSFET采用IXYS公司的IXFK24N100开关管,这种型号MOS管自身反并有超快恢复二极管,其反向恢复时间约250ns。

  图5是超前桥臂开关管驱动电压与管压降波形图,(a)为仿真波形、(b)为实验波形,可见超前臂开关管完全实现了ZVS开通,VT1、VT2关断时是依赖其自身很小的结电容来实现的,从图中可以看出,关断时也基本实现了ZVS关断。

ZVZCS

  图5超前桥臂开关管驱动电压与管压降波形图

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  图6是滞后桥臂开关管驱动电压与电流波形图,(a)为仿真波形、(b)为实验波形;

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  图7是滞后桥臂开关管管压降与电流波形图,(a)为仿真波形、(b)为实验波形。

  从图6、图7可以看出滞后臂开关管VT3、VT4很好地实现了ZCS关断,关断时开关管电流已经为零。滞后臂开关管完全开通之前,开关管电流也几乎为零,基本实现了ZCS开通。而且滞后桥臂开关管VT3、VT4可以在很大负载范围内实现ZCS开关。

ZVZCS

  图8是两桥臂中点之间的电压Uab的波形图,(a)为仿真波形、(b)为实验波形。

ZVZCS

  图9是阻断电容Cb上的电压U曲波形,(a)为仿真波形、(b)为实验波形。

  从上图可以看出,由于有Ucb的存在,Uab不是一个方波。当Uab=0时,阻断电容Cb上的电压Ucb使原边电流ip逐渐减小到零,由于阻断二极管的阻断作用,ip不能反向流动,从而实现了滞后桥臂的ZCS开关。

  综上所述,我们能够发现,采用UC3875作为核心控制器件的好处是结构简单、性能可靠。并且主电路的开关管全部实现了软开关,同时还避免了ZVS以及ZCS模式当中常见的一些错误。能够显着的减少在开关过程当中开关管发生的损耗,进而提高开关频率,减少电源的体积并减轻重量。

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