资讯文档当前位置:秒速牛牛 > 资讯文档

高频开关直流电源ZVS移相全桥拓扑的分析

高频开关直流电源ZVS移相全桥拓扑的分析

摘要

1 基本ZVS拓扑介绍

2 原始ZVS拓扑及存在问题分析

3 目前使用的改进型ZVS拓扑结构

1 基本ZVS拓扑介绍

软开关的由来和基本概念

1 产生原因

1) 目前电子变换技术的发展方向

高频化(小型化、轻量化)、大容量化、高性能化

2)技术发展带来的问题

高频与大容量化→装置内部电压、电流变化;开关器件应力、电磁干扰

开关器件非线性→产生谐波、输入电流波形失真;工作和不控整流;功率因素降低等  

3) 解决方法

抑制EMI→软开关谐振变化技术

减小谐波→谐波补偿和PWM调制技术

2 软开关的概念

1)开关电源管硬开关动作

开关直流电源管硬开关动作

如图所示,由于功率器件的开关过程不是瞬时完成的,在开关过程会存在电压和电流重叠的时候,此刻就为开关直接开关的情况下的功率损耗情况,可以看出此时的损耗是相当大的。

2)软开关动作

开关直流电源软开关动作

软开关的发展及分类

1  根据软开关的发展历程可将软开关电路大致分为一下几类:

1)准谐振电路

ZVS QRC;ZCS QRC;ZVS QRC; Resonant DC Link(用于逆变器的谐振直流环)。谐振电路中的电压或电流波形为正弦半波称为准谐振。

作用:减小开关损耗和降低开关噪声

危害:谐振峰值电压高,要求开关应力大,谐振电流有效值大,通态损耗大,谐振周期随输入电压、负载变化而变化,变频不好控制。

2)零开关PWM电路

ZVS PWM; ZCS PWM。

较谐振电路相比,该电路电流和电压基本上是方波,有较缓的上升和下降斜率,开关应力低,恒频率控制方便。

3)零转换PWM电路

ZVT PWM;ZCT PWM

2 软开关的发展趋势

1)普遍性

2)开关频率高,重新利用谐振电路

3)组合简单电路获得高性能电路结构

2 原始ZVS拓扑及存在问题分析

基本的ZVS变换拓扑

要实现开关管的零电压开通,必须有足够的能量来:1)抽走将要开通的开关管结电容上的电荷;2)给即将关断的开关管结电容充电;3)同时要考虑变压器初级绕组的寄生电容上的电荷。

即所需的能量为:

开关直流电源基本的ZVS变换拓扑计算公式

式中Ci为开关管的结电容,CTr为变压器初级绕组的寄生电容,Ui为输入电压。

超前桥臂实现ZVS相对来说比较容易,滞后桥臂实现起来相对困难一些。

滞后桥臂ZVS实现的条件相对恶劣,原因是由于在滞后桥臂开关管交换开通时,副边的整流二极管处于换流阶段,两二极管同时开通,是变压器副边短路,使原边电压箝位在0,原副边隔离无能量流通,此时滞后桥臂开关管结电容的充放电全靠变压器漏感中能量实现。

解决办法:

1)增大电流(励磁电流),

2)增大谐振电感。

另外,稳压电源还涉及到一个占空比丢失的问题,在原边电压换向的时刻,电压已经换向,但电流却是与电压相反的方向,此时电压要对谐振电感作用,使其电流迅速下降并反向增大,在此过程中,当原边电流小于副边滤波电感电流时,不向副边功能,因此称为占空比丢失。以前的解决办法就是减小变压器原边与副边的变比,但这也会带来新的问题。

为此提出了新的解决滞后桥臂ZVS实现的方案。

3目前使用的改进型ZVS拓扑结构

改进的ZVS变换拓扑

为了改进之前所述基本移相的ZVS全桥拓扑存在的缺点,后面使用过程中提出了一种能改善滞后桥臂ZVS范围的结构。如下图所示。

开关直流电源改进的移相ZVS全桥结构图

图2 改进的移相ZVS全桥结构

改进的ZVS拓扑优缺点分析:

优点:不仅拓宽了结构拓扑滞后桥臂在轻载条件下零电压开关的实现,降低了开关损耗,还消除了副边整流二极管的电压震荡,缩短了其反向回复时间,提高了结构的效率。

缺点:引进了两二极管增加了传导损耗,二极管的反向恢复严重。

二极管反向恢复问题

二极管反向恢复特性曲线

图3 二极管反向恢复特性曲线

二极管在开关电源中应用非常之多,由于开关电源通常工作在高频条件下,这样二极管就会迅速开通和关断,在其快速开通和关断条件下,难免会产生较高的电压尖峰和开关损耗,这就叫反向恢复现象。

一般的二极管就一PN结(肖特基除外)。PN结结构的二极管,其P区、N区都有多数载流子和少数载流子,PN结内的载流子都存在着扩散运动和飘移运动。扩散运动是由载流子浓度不同而引起的;漂移运动则是因电场作用引起的。二极管两端加正电压时,扩散运动超过飘移运动 ,P 区与 N 区的多数载流子都不断地 向对方区域扩散,并在对方 区域中有相当数量的存储。此时,若在二极管两端突加反向电压,PN 结 内的飘移运动超过扩散运动,上述的存储电荷在电场的作用下将回到己方区域 ,或者被复合掉 ,这样就产生了一个反向电流。

在这一反向电流的作用下,存储电荷被全部扫出,PN结交界处耗尽层的势垒高度增加,反向电流给二极管并联寄生电容充电,二极管 电压开始反向增大。电容电压达到一定值后,反向电流减少为二极管的反向饱合电流值IR ,二极管反向恢复的过渡过程结束。在这一过程中,反向电流( 最大值记为IRM) 在二极管内产生反向恢复损耗 ,反向电流如果流过电路中其它元件 ,还会产生附加损耗 。又由于二极管串联寄生电感和并联寄生电容的作用,二极管两端会产生较高的反向电压浪涌。

开关直流电源二极管反向恢复等效电路图

图4 二极管反向恢复等效电路

解决功率二极管反向恢复的方法

为解决功率二极管反向恢复问题已经出现了很多种方案。一种思路是从器件本身出发 ,寻找新的材料力图从根本上解决这一问题 ,比如碳化硅二极管的出现带来了器件革命的曙光 ,它几乎不存在反向恢复的问题 。另一种思路是从拓扑角度出发 ,通过增加某些器件或辅助电路来使功率二极管的反向恢复得到软化。目前 ,碳化硅二极管尚未大量进人实用 ,其较高的成本制约了普及应用 ,大量应用的是第二种思路下的软化电路。

CATEGORIES

分类导航

咨询热线

021-51095123

联系人:王先生

手 机:13761987446

邮 箱:xuxinpower@126.com

地 址:上海市嘉定区吴杨东路333号

用手机扫描二维码关闭
二维码
秒速牛牛玩法 75秒赛车官网 秒速赛车技巧 秒速牛牛玩法 荣鼎彩注册 荣鼎彩官网 荣鼎彩是真的吗 秒速赛车技巧 荣鼎彩官方网站 秒速牛牛注册