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[导读]提出一种适用于多路输出应用场合的新型电流型移相控制全桥PWM DC—DC变换器,它能够利用辅助电路和寄生参数分别实现上下四个主开关管的零电压和零电流工作。且辅助开关管也可以零开关工作。本文分析了它的工作原理以及实现软开关的条件,最后在Pspice中验证理论的正确性和可行性。

0 引言
    开关电源的发展趋势是高频、高功率密度、高效率、模块化以及低的电磁干扰(EMI)等,但传统的硬开关变换器不仅存在严重的电磁干扰(EMI),而且功率管的开关损耗限制了开关频率的提高,软开关应运而生。目前实现软开关主要有两种方法:一为零电压(ZVS)开关,另一种为零电流(ZCS)开关。
    全桥DC/DC变换器广泛应用于中大功率的场合。根据其输入端为电容或者是电感,全桥变换器可分为电流型和电压型两种。过去的数十年问,电压型全桥变换器的软开关技术得到深入研究。而电流型却没有得到足够的重视。事实上,电流型变换器具有很多的优点。最显著的优点之一是在多路输出的应用场合中,它相当于将滤波电感放置于变压器的原边,因而整个电路仅需要这一个电感。
    本文提出了一个采用移相控制的新型电流型全桥变换器,引入辅助电路来帮助两个上管实现零电压工作,利用变换器的寄生参数(变压器的漏感)来实现两个下管零电流工作。分析了它的工作原理以及实现软开关的条件,并最终在Pspice仿真中验证了理论的正确性。

l 工作原理
   
图l所示为本人所提出的电流型移相控制PWM DC/DC全桥变换器。Lin为输入电感,Llk为变压器的漏感,CS1、CS2是和两个上管VT1、VT2并联的电容,VTa1、VTa2是辅助开关,Lrl、Lr2是谐振电感。

    该变换器一个周期内共有十个开关模态,为了便于分析,我们作如下假设:
    a.所有电感、电容、开关管和变压器均为理想器件。
    b.输入电感Lin足够大,在一个开关周期中,输入电流Iin基本上可视为不变。
    c.输出电容Co足够大,在一个开关周期中,输出电压Uo基本上可视为不变;
    d.输入电感Lin远大于谐振电感Llk.

    e. 特征阻抗谐振角频率为变压器的变化。
    各主要变量波形如图2所示,各开关模态的等效电路如图3所示。

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 1)开关模态l[t0~t1]
    t0时刻以前,原边电流通过主开关管VT2和VT4,负载由输出电容供电,如图3(a)所示。t1时刻,辅助开关管VTa1打开,CS2和Lr1开始谐振,如图3(b)所示,谐振电容电压的表达式为(初始电压为UCSl):


    经过半个谐振周期,电感电流为0,谐振电容电压变为一UCS1,故该模态持续时间:

   
    此时,VTa1可以零电流关断。
    2)开关模态2[t1~t2]
    t1时刻,由于并联电容的存在,VT2可以零电压关断。如图3(c)所示,输入电流通过CS1,漏感Llk,变压器的原边以及VT4,CS1电压的表达式为:

   
    副边电流通过VD1和VD4。t2时刻,电容两端电压降至为0,该模态持续时间:

   
    3)开关模态3[t2~t3]
    t2时刻,VT1零电压开通,如图3(d)所示,这期间该变换器像传统结构一样向负载供电。
    4)开关模态4[t3~t4]
    t3时刻,开通VT3,如图3(e)所示。VT3的电流开始线性增加,VT4的电流线性减小。表达式为:

   
    t4时刻,VT3的电流上升至输入电流,VT4的电流减小到0,该模态的持续时间:

   
    可见,VT3是零电流开通,VT4是零电流关断的。
    5)开关模态5[t4~t5]
    输入电流通过VT1和VT3,负载由输出电容供电,如图3(f)所示。变换器开始另一半周期的工作。

2 实现软开关的条件
   
由以上工作原理的分析,我们可知,变换器顺利实现软开关必须满足以下条件:
    (1)VT1和VT2必须有死区时间,且该死区时间不能太大,否则其并联电容将被正向充电,以至零电压丢失。以前文分析的半个周期为例,VT2关闭后的死区时间不能太大以至于VT1的并联电容重新被正向充电,那么由式(5)可得,死区时间应该满足

   
    (2)VT3和VT4的重叠时间要足够大,以保证两个下管的电流可以顺利转换。以前文分析的半个周期为例,重叠时间内应该要保证VT4的电流顺利降为0,VT3顺利的上升至输入电流Iin。则由(8)式可得,重叠时间应该满足

   


3 仿真结果及分析
   
为了验证文本提出的变换器的原理,在Pspice里设计了一个50kHZ的模型进行验证。输入电流为Iin=10A,输出电压Uo=325V。一个周期内各仿真波形如图4所示。(a)图所示为主开关管VT1的电压电流波形,从图上我们可以看出VT1可以零电压开通和关断。由于IGBT有拖尾电流效应,因而实际中两个上管可以用MOS管来代替IGBT;(b)图所示为主开关管VT3的电压电流波形,可见VT3顺利的实现零电流开通和关断;(c)图为辅助开关VTa1的电压电流波形,由于辅助电路引入谐振来帮助主开关管实现零电压,因而它是可以零电流工作的,不会给变换器增加额外的损耗。

4 结束语
   
本文提出了一种新型的移相控制电流型全桥PWM DC/DC变换器结构。该结构利用辅助网络来帮助两个上管实现零电压工作,利用变压器的漏感来实现两个下管零电流工作。最后的仿真也证明了理论的正确性。由于结构上的特性,该变换器在多路输出的应用中有更独特的效果。

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