移相全橋ZVZCS DC/DC變換電路的PSpice仿真研究

程瓊，劉瀟

(湖北工業(yè)大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，湖北武漢430068)

移相全橋ZVZCS DC/DC變換電路的PSpice仿真研究

程瓊，劉瀟

(湖北工業(yè)大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，湖北武漢430068)

軟開關(guān)電路具有開關(guān)損耗小、開關(guān)頻率高、工作穩(wěn)定性強(qiáng)、可靠性高等優(yōu)勢(shì)，選取了一種移相全橋ZVZCS PWM DC/DC變換電路，通過PSpice軟件對(duì)該軟開關(guān)電路進(jìn)行仿真研究，為實(shí)際電路的研究提供依據(jù)。

移相全橋；軟開關(guān)；PSpice軟件

移相全橋軟開關(guān)是軟開關(guān)技術(shù)中發(fā)展比較成熟、應(yīng)用廣泛的一種技術(shù)，其實(shí)現(xiàn)方式主要有零電壓開關(guān)(zero voltage switching，ZVS)和零電壓零電流開關(guān)(zero voltage zero current switching，ZVZCS)。當(dāng)前應(yīng)用較廣的ZVS變換器存在原邊有環(huán)流、變換效率降低、占空比丟失嚴(yán)重等缺點(diǎn)[1-3]，而本文研究的ZVZCS變換器在重載范圍中仍能確保超前橋臂實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)和滯后橋臂的零電流開關(guān)，減小占空比的丟失，因而能夠提升軟開關(guān)電路的輸出效率，有效地彌補(bǔ)ZVS變換器的不足。

1 移相全橋ZVZCS變換電路的選取及工作過程分析

1.1 電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選取

移相全橋ZVZCS變換電路主要通過移相控制的方式并依靠電路中自身的寄生電容和電感，外加諧振元件及輔助電路，使電路中開關(guān)管工作在軟開關(guān)或零損耗狀態(tài)下。在超前橋臂，利用變壓器的漏感或者原邊串聯(lián)電感和功率管的寄生電容實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)，其實(shí)現(xiàn)方法同ZVS變換電路相類似[4]；在滯后橋臂，通過對(duì)原邊電流進(jìn)行復(fù)位來實(shí)現(xiàn)，主要的實(shí)現(xiàn)方法有以下幾種[5]：(1)在變壓器原邊使用飽和電感和隔直電容，利用隔直電容上的電壓作為反向阻斷電壓源，使原邊電流復(fù)位，但是飽和電感損耗會(huì)限制變壓器最大功率，并且電容上的壓降也增加了導(dǎo)通損耗；(2)利用在超前橋臂上的IGBT管的反向雪崩擊穿，使變壓器漏感中儲(chǔ)存的能量完全消耗在超前橋臂的開關(guān)管中，因此需要很小的漏感；(3)在副邊加箝位電路，一般由電容和二極管組成，通過在續(xù)流期間將箝位電容上的電壓反射到變壓器原邊，加在變壓器漏感上，實(shí)現(xiàn)零電流開關(guān)。

本文在眾多ZVZCS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[6]中選取了一種，其拓?fù)鋱D如圖1所示。在超前橋臂上的開關(guān)管Q1與Q3兩端分別并聯(lián)電容C1與C3，以實(shí)現(xiàn)超前橋臂的零電壓開關(guān)。在變壓器原邊主電路上串聯(lián)飽和電感Llk與隔直電容Cb，通過隔直電容上的電壓使原邊電流降為零時(shí)由飽和電感將電流箝在零位，以此實(shí)現(xiàn)滯后橋臂上開關(guān)管的零電流開關(guān)。

圖1 移相全橋ZVZCS主電路

1.2 電路工作過程分析

在一個(gè)周期內(nèi)，主電路一共有10個(gè)開關(guān)模態(tài)。由于電路具有對(duì)稱性，因此此處僅對(duì)半個(gè)周期中的幾種模態(tài)進(jìn)行分析(圖2)。在分析前進(jìn)行如下假設(shè)，以簡(jiǎn)化分析過程：

(1)圖中開關(guān)管、二極管均為理想器件；

(2)電感、電容、變壓器均為理想器件；

(3)1=2，忽略器件差異性。

1.2.1 開關(guān)模態(tài)0

在0時(shí)刻前，Q1與Q4導(dǎo)通，電流經(jīng)過Q1、Llk、Cb、Q4在原邊形成回路，變壓器副邊整流側(cè)電流經(jīng)過DR1、Lf、RL形成回路。原邊電流對(duì)隔直電容Cb充電，Cb兩端電壓線性上升。1.2.2開關(guān)模態(tài)1

圖2 ZVZCS PWM DC/DC變換器主要電流電壓工作波形

1.2.5 開關(guān)模態(tài)4

2 移相全橋ZVZCS變換電路的PS-pice仿真研究

2.1 仿真模型搭建

圖3所示為移相全橋ZVZCS電路的PSpice仿真模型[7]。輸入直流電壓為296 V，此電壓值是由峰值為311 V的交流電經(jīng)過整流電路除去電路中的損耗后得到的電壓平均值。通過IGBT開關(guān)管ZA～ZD的的逆變作用，在變壓器K1原邊獲得高頻交流電壓，ZA與ZC為超前橋臂，ZB與ZD為滯后橋臂。變壓器K1模型為ETD59_3C90磁芯[8]，變比為25∶6∶6，設(shè)定參數(shù)couple值為1，即假設(shè)為完全耦合狀態(tài)，經(jīng)過高頻變壓器的電氣隔離后在高頻整流管D5處輸出，電感L5與電容C4構(gòu)成濾波電路，RL為負(fù)載。

圖3 移相全橋ZVZCS電路的PSpice仿真模型

2.2 仿真結(jié)果分析

圖4所示為超前橋臂開關(guān)管ZA實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)的仿真波形，圖中曲線1為ZA的脈沖驅(qū)動(dòng)電壓波形，其正向電壓為15 V，反向電壓為1 V；曲線2為ZA兩端電壓的波形，輸入直流電壓約為296 V。由仿真波形可以看出，在輕載情況下，開關(guān)管的脈沖驅(qū)動(dòng)在其自身電壓下降為零時(shí)才給出，很好地實(shí)現(xiàn)了開關(guān)管ZA的零電壓關(guān)斷。

圖4超前橋臂ZA電壓波形及驅(qū)動(dòng)電壓波形

圖5 所示為滯后橋臂開關(guān)管ZB實(shí)現(xiàn)零電流開關(guān)的仿真波形，圖中曲線1為ZB的脈沖驅(qū)動(dòng)電壓波形，曲線2為流過ZB的電流波形，可以看出在ZB的電流為零時(shí)，給出開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)電壓，因此實(shí)現(xiàn)開關(guān)管ZB的零電流開通。

圖5滯后橋臂ZB電流波形及驅(qū)動(dòng)電壓波形

圖6 所示為開關(guān)管ZC的電壓及電流波形，當(dāng)ZC兩端電壓不為零時(shí)，流過開關(guān)管的電流為零；而當(dāng)流過開關(guān)管的電流不為零時(shí)，開關(guān)管兩端電壓為零，這樣大大降低了開關(guān)損耗，很好地體現(xiàn)了軟開關(guān)特性。

圖6開關(guān)管ZC電流波形及電壓波形

圖7 所示為負(fù)載RL兩端輸出電壓波形，從波形分析可知負(fù)載電壓在經(jīng)過2.4 ms的振蕩后，輸出電壓值趨于穩(wěn)定，響應(yīng)速度非常快。

圖7 負(fù)載輸出電壓波形

3 結(jié)束語

本文選取了在變壓器原邊串聯(lián)飽和電感及隔直電容的移相全橋ZVZCS軟開關(guān)電路，對(duì)電路工作過程進(jìn)行了分析。采用PSpice仿真軟件搭建相應(yīng)電路模型、設(shè)置仿真參數(shù)，在超前橋臂通過并聯(lián)電容實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)；在變壓器原邊串聯(lián)飽和電感，當(dāng)阻斷電容上的電壓使原邊電流復(fù)位到零以后，飽和電

Simulation research on full-bridge ZVZCS circuit based on PSpice

CHENG Qiong,LIU Xiao

According to the advantages of soft-switching which was more reliable and stable with a low swich loss and a high switching frequency,ZVZCS circuit was chosen.PSpice software was carried out the circuit simulation which could provide scientific basis for the research of real circuit.

phase-shifted full-bridge;soft switching;PSpice software

TM 46

A

1002-087 X(2015)03-0588-03

2014-08-15

程瓊(1959—)，女，湖北省人，教授，主要研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c電力傳動(dòng)。