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      PSFB-ZVS電路的研究

      2016-04-28 05:48:46
      艦船電子對抗 2016年1期
      關(guān)鍵詞:Matlab仿真

      李 群

      (中國船舶重工集團(tuán)公司第723研究所,揚(yáng)州 225001)

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      PSFB-ZVS電路的研究

      李群

      (中國船舶重工集團(tuán)公司第723研究所,揚(yáng)州 225001)

      摘要:軟開關(guān)技術(shù)的應(yīng)用使得中大功率電源在體積、效率等方面的性能有較大的提升。對一種中大功率開關(guān)電源的軟開關(guān)電路進(jìn)行仿真研究,該電路采用移相全橋零電壓開關(guān)(PSFB-ZVS)變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),應(yīng)用比例積分(PI)控制器和移相角調(diào)節(jié)技術(shù)實(shí)現(xiàn)電壓的穩(wěn)定輸出,且4個(gè)開關(guān)管實(shí)現(xiàn)零電壓開通。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,所設(shè)計(jì)的電源性能良好,可作為后續(xù)的數(shù)字化電源的研究參考。

      關(guān)鍵詞:移相全橋;軟開關(guān)技術(shù);Matlab仿真

      0引言

      移相全橋零電壓開關(guān)(PSFB-ZVS)變換器電路是一種較成功的軟開關(guān)變換器,具備功率變壓器利用率高、輸出功率大、開關(guān)器件電壓應(yīng)力低等傳統(tǒng)全橋變換器的優(yōu)點(diǎn);同時(shí)由于工作在軟開關(guān)狀態(tài)下,開關(guān)損耗小,效率較高:因此移相全橋ZVS變換器已廣泛應(yīng)用在中、大功率場合。

      開關(guān)電源若想實(shí)現(xiàn)小型化,最直接的辦法是提高開關(guān)頻率。但開關(guān)頻率越高,其開關(guān)損耗越大,電路的效率隨之降低,電磁干擾隨之增大。軟開關(guān)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)對于改善電源損耗、提高工作頻率、降低電源體積與重量有著顯著的作用。零電壓開關(guān)技術(shù)是軟開關(guān)技術(shù)中的一種,其利用電感與電容組成諧振電路,使開關(guān)器件中的電壓按照正弦或準(zhǔn)正弦的規(guī)律變化,當(dāng)開關(guān)器件開通前,使其電壓降為零,從而達(dá)到減少開關(guān)損耗的目的[1]。

      1移相全橋ZVS變換器原理

      1.1電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

      移相全橋ZVS變換器主拓?fù)鋱D如圖1所示,電路結(jié)構(gòu)主要包括全橋電路的4個(gè)功率開關(guān)管(Q1~Q4)、4個(gè)開關(guān)管的體二極管(D1~D4)、4個(gè)開關(guān)管的結(jié)電容(C1~C4)、諧振電感Lr、變壓器、全波整流電路的2個(gè)整流二極管(DR1,DR2)、輸出濾波電感Lf、輸出濾波電容Cf。

      圖1 移相全橋ZVS變換器主拓?fù)鋱D

      1.2電路工作原理

      圖2為移相全橋電路的工作模態(tài)示意圖。以往

      的全橋電路控制方式是使開關(guān)管Q1與Q4,Q2與Q3同時(shí)開通與關(guān)斷,2對開關(guān)管交替開通與關(guān)斷,每只開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間小于1/2開關(guān)周期。而移相控制方式是對以往控制方式的一種改進(jìn),在保證變壓器原邊電壓波形不變和同一橋臂上下開關(guān)管不直通的狀態(tài)下,4只開關(guān)管始終是處于全脈寬(除死區(qū)外)導(dǎo)通狀態(tài)。

      如圖2所示,Vgs為4個(gè)開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)波形,Q1(Q3)超前于Q4(Q2)α電角度開通,α即為移相角。通常將Q1與Q3構(gòu)成的橋臂稱為超前臂,Q2與Q4構(gòu)成的橋臂為滯后臂。通過調(diào)節(jié)移相角α的大小即可調(diào)節(jié)變壓器原邊交流方波電壓占空比,從而調(diào)節(jié)輸出電壓的大小。

      圖2 移相全橋ZVS變換器工作模態(tài)

      1.3軟開關(guān)實(shí)現(xiàn)原理

      移相全橋ZVS的實(shí)現(xiàn)主要是依靠變壓器漏感和外接諧振電感中的儲能對并聯(lián)在開關(guān)管兩端的電容和寄生電容充放電,并利用開關(guān)管體二極管的導(dǎo)通箝壓,使得開關(guān)管實(shí)現(xiàn)零電壓開通。如圖2所示,t0~t1期間超前臂發(fā)生諧振,在t1時(shí)刻開關(guān)管Q3的漏源之間電壓諧振到零,之后諧振電流經(jīng)體二極管續(xù)流,維持Q3漏源極之間的零電壓,在此狀態(tài)下施加Q3開通信號,即可實(shí)現(xiàn)Q3的零電壓開通。同樣在t2~t3時(shí)間段內(nèi),滯后臂發(fā)生諧振,Q2在t4時(shí)刻實(shí)現(xiàn)零電壓開通。依次類推Q1、Q4都能實(shí)現(xiàn)零電壓開通。不同的是發(fā)生超前臂諧振時(shí),實(shí)現(xiàn)ZVS的能量主要由變壓器漏感、外接諧振電感Lr和輸出濾波電感提供;而滯后臂諧振時(shí),實(shí)現(xiàn)ZVS的能量主要由變壓器漏感和外接諧振電感提供。一般漏感儲能較少,在輕載的時(shí)候,滯后臂實(shí)現(xiàn)ZVS較為困難[2-4]。

      2移相全橋ZVS變換器仿真

      2.1仿真模型

      本文設(shè)計(jì)的移相全橋ZVS變換器電路仿真模型如圖3所示。圖中功率電路主拓?fù)洳捎脠D1的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),變壓器一次側(cè)采用移相全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),變壓器二次側(cè)采用全波整流結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)仿真參數(shù)如下:輸入電壓為直流435 V,輸出電壓為50 V,輸出功率為500 W,開關(guān)頻率為300 kHz,諧振電感Lr,感量為100 μH,變壓器取變比K=7,輸出濾波電感Lf感量為15 μH,輸出濾波電容Cf容量取220 μF。

      圖3 移相全橋電路仿真圖

      圖3中PI控制器即為仿真電路的控制部分,本文采用的是電壓單環(huán)控制策略,通過PI控制器控制實(shí)現(xiàn)輸出穩(wěn)壓。在圖3中的脈寬調(diào)制(PWM)驅(qū)動(dòng)模塊里,通過π與前級PI控制器輸出做差后即可得到所需的移相角。具體產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號,則在PWM驅(qū)動(dòng)模塊里通過Simlink中的傳輸延遲器件,在由脈沖產(chǎn)生器產(chǎn)生的互補(bǔ)信號基礎(chǔ)上分別設(shè)置對應(yīng)的需延遲的移相角,即可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)移相角的開關(guān)管驅(qū)動(dòng)。

      2.2移相全橋ZVS變換器仿真結(jié)果

      仿真模型系統(tǒng)根據(jù)電路的狀態(tài)產(chǎn)生合適的移相角,使得輸出電壓趨于穩(wěn)定。圖4所示自上而下分別為開關(guān)管Q1~Q4的驅(qū)動(dòng)信號。為避免直通,同一橋臂上下開關(guān)管驅(qū)動(dòng)存在死區(qū),同時(shí)對角開關(guān)管(Q1與Q4、Q3與Q2)相差一定的移相角才相繼導(dǎo)通。

      圖4 開關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號

      圖5中自上而下分別為滿載時(shí)輸出電壓與電流的波形圖。 從圖5可以看出,電路系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí),其輸出電壓穩(wěn)定在50 V左右,電流穩(wěn)定在10 A左右,且電壓紋波較小,滿足所需設(shè)計(jì)的輸出要求。在系統(tǒng)仿真初期,電路未達(dá)穩(wěn)定狀態(tài),輸出電壓有一超調(diào),經(jīng)過環(huán)路調(diào)節(jié)后,系統(tǒng)很快達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

      圖5 滿載時(shí)輸出波形

      圖6中自上而下分別為變壓器一次側(cè)電壓波形和二次側(cè)電壓波形。對比圖6中一次側(cè)、二次側(cè)電壓波形可以看出,變壓器二次側(cè)的占空比小于一次側(cè)占空比,這是由于諧振狀態(tài)的存在,導(dǎo)致二次側(cè)發(fā)生占空比丟失[2-3]。

      圖6 變壓器一次側(cè)、二次側(cè)電壓波形

      如前文所述可知,軟開關(guān)在負(fù)載較重時(shí)容易實(shí)現(xiàn),并且移相全橋ZVS變換器的超前臂較滯后臂更容易實(shí)現(xiàn)ZVS,所以只要滿足使滯后臂實(shí)現(xiàn)ZVS,就可使超前臂實(shí)現(xiàn)ZVS。圖7自上而下依次為滯后臂開關(guān)管漏源電壓波形和對應(yīng)的驅(qū)動(dòng)波形,從圖中可以看出在開關(guān)管導(dǎo)通前,漏源兩端電壓已降為零,在開關(guān)管關(guān)斷后,漏源兩端電壓開始線性上升,從而實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)功能。

      圖7 滯后臂軟開關(guān)波形

      3試驗(yàn)結(jié)果

      圖8(a)所示為基于以上所述設(shè)計(jì)的電源樣機(jī),圖8(b)為滯后臂軟開關(guān)波形圖。波形圖中CH1為

      滯后臂開關(guān)管驅(qū)動(dòng)波形(橫軸:500 ns/格,縱軸:5 V/格),CH2為開關(guān)管漏源電壓波形(橫軸:500 ns/格,縱軸:500 V/格)。從圖中可看出滯后臂開關(guān)管開通時(shí),開關(guān)管漏源電壓已降為0 V,即樣機(jī)實(shí)現(xiàn)了零電壓開通功能。

      4結(jié)束語

      本文針對大中功率開關(guān)電源的軟開關(guān)電路進(jìn)行了仿真研究。仿真及試驗(yàn)結(jié)果表明,設(shè)計(jì)的系統(tǒng)輸出達(dá)到所需的要求,零電壓開通功能得以實(shí)現(xiàn)。通過對拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及模型參數(shù)修改,本方法同樣適用于高壓電源仿真設(shè)計(jì)。另外,數(shù)字化也是開關(guān)電源未來發(fā)展的一個(gè)重要方向。

      本文中除了拓?fù)潆娐窞楸貍涞挠布?,針對電路的控制策略即所設(shè)計(jì)的PWM調(diào)制模塊和PI控制器模塊均可實(shí)現(xiàn)數(shù)字化,可作為后續(xù)數(shù)字化電源的研究參考。

      圖8 電源樣機(jī)及滯后臂軟開關(guān)波形

      參考文獻(xiàn)

      [1]張占松,蔡宣三.開關(guān)電源的原理與設(shè)計(jì)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2000.

      [2]孫筱琳.50V/50A移相全橋ZVS DC/DC變換器的設(shè)計(jì)[D].哈爾濱:哈爾濱理工大學(xué),2008.

      [3]李偉東.大功率全橋移相軟開關(guān)電源的研究[D].成都:西南交通大學(xué),2004.

      [4]邱爽,王志強(qiáng).ZVS移相全橋變換器的建模與仿真[J].通信電源技術(shù),2008,25(4):6-8.

      Study of PSFB-ZVS Circuit

      LI Qun

      (The 723 Institute of CSIC,Yangzhou 225001,China)

      Abstract:The performances (such as volume,efficiency) of the power supply with middle-high power are improved greatly by using the soft-switch technology.This paper performs simulative study to the soft-switch circuit of a switch power supply with middle-high power.The circuit adopts topology structure of phase-shifted full-bridge zero voltage switching (PSFB-ZVS) converter,applies the proportion integration (PI) controller and the phase-shifted angle adjustment technique to realize the stable output of voltage,and accomplishes zero voltage switching by means of 4 switch tubes.The experiment result shows that the designed power supply has good performance and can be taken as the reference of future digital power supply study.

      Key words:phase-shifted full-bridge;soft-switch technology;Matlab simulation

      DOI:10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.01.024

      中圖分類號:TN710

      文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

      文章編號:CN32-1413(2016)01-0105-04

      收稿日期:2015-01-19

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