移相全橋拓?fù)湓诟邏褐绷麟娫粗械膽?yīng)用

汪琴芳

(合肥通用職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息管理工程系， 合肥 230031)

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移相全橋拓?fù)湓诟邏褐绷麟娫粗械膽?yīng)用

汪琴芳

(合肥通用職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息管理工程系， 合肥 230031)

摘要：分析了移相全橋拓?fù)鋺?yīng)用于高壓直流電源中的工作原理，繪制出關(guān)鍵的諧振電流波形。推導(dǎo)出電路中諧振電感LS與變壓器等效電容CP及其他參數(shù)之間的關(guān)系式，給出便于工程設(shè)計的諧振電感和諧振電流計算公式。根據(jù)計算結(jié)果設(shè)計了一個功率為350W、輸入為28V、輸出為-4200V的高壓直流電源，實驗結(jié)果證明分析是正確的。

關(guān)鍵詞：高壓電源；移相全橋；諧振電感；等效電容

高壓直流電源在雷達(dá)、醫(yī)療電子領(lǐng)域有較為廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)高壓直流電源多使用變頻調(diào)制方式的串聯(lián)諧振或并聯(lián)諧振拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這種電路對變壓器的利用率不高，且很難滿足輸出電壓寬范圍變化的要求。移相全橋是一種諧振軟開關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，且是固定頻率工作，能夠較好應(yīng)用于高壓電源，目前實際應(yīng)用較多，但對其理論分析稍有不足，實際電路中元器件選用靠反復(fù)試驗決定。本文對移相全橋拓?fù)湓诟邏褐绷麟娫粗械膽?yīng)用進(jìn)行了理論分析，得到符合實際工程設(shè)計應(yīng)用的參數(shù)計算公式，并給出設(shè)計實例。

1工作原理分析

高壓直流電源的輸出端不宜采用LC濾波[1]，因此移相全橋電路應(yīng)用于高壓電源時，工作原理也有所不同[2-4]，而且分析中必須考慮到高變比變壓器分布參數(shù)的影響，變壓器分布參數(shù)主要包含變壓器的漏感和分布電容。主電路如圖1所示，原邊為全橋拓?fù)?，次級采用倍壓整流電路。電感LS為諧振電感和變壓器漏感之和，CS為隔離電容，CP為等效到變壓器初級的分布電容。

圖1　高壓電源主電路圖Fig.1　High voltage power supply main circuit diagram

圖2　驅(qū)動信號及電感電流波形(正半周期)Fig.2　Drive signal and inductor current waveform (positive half cycle)

穩(wěn)態(tài)下該電路在半個周期內(nèi)有四種工作狀態(tài)。以正半周期為例(圖2)：

(1)t0～t1階段，t0時刻，電感電流iL為零，CP兩端電壓VCP=-Vout/2n(n為變壓器匝比)，VS1、VS4導(dǎo)通，當(dāng)電容CP通過電感LS、VS1、VS4放電并被反向充電到VCP=Vout/2n，該狀態(tài)結(jié)束。在這個階段，電感LS和電容CP的諧振，流過變壓器初級的電流為0，初級電源沒有向負(fù)載提供能量。

(2)t1～t2階段，在這個階段，VS1、VS4繼續(xù)導(dǎo)通，由于變壓器反射電壓的箝位，CP兩端電壓不變，電感電流全部流經(jīng)變壓器初級，初級電源向負(fù)載提供能量。

(3)t2～t3階段，在t2時刻，VS1關(guān)斷，電感電流通過變壓器、VS4以及VS2的體內(nèi)二極管續(xù)流，電感中的儲能繼續(xù)向負(fù)載提供能量。在這個階段中，MOS管VS2零電壓開通。

(4)t3～t4階段，在t3時刻，VS4關(guān)斷，電感電流通過變壓器、VS3體內(nèi)二極管以及VS2的體內(nèi)二極管續(xù)流，電感中的儲能繼續(xù)向負(fù)載提供能量。在這個階段中，MOS管VS3零電壓開通，當(dāng)電感電流到0時該階段結(jié)束，進(jìn)入負(fù)半周期。

2電路參數(shù)計算

由圖3的電感電流波形，再根據(jù)穩(wěn)態(tài)下變換器的輸入功率等于輸出功率，可以得到：

M·Vs·[(I1+I2)Δt2+(I2+I3)Δt3+I3Δt4]=P·T

(1)

(2)

(3)

(4)

圖3　移相角為零時電感電流波形(正半周期)Fig.3　The phase shift angle of zero current waveform of the inductor current (positive half cycle)

在實際工程應(yīng)用中，首先要考慮在開環(huán)狀態(tài)下滿足輸出功率的要求。因此可以把上述公式簡化成移相角為零的情況下計算，即圖2中的t2和t3重合(圖3)。因此式(1)可簡化為：

M·Vs·[(I1+I2)Δt2+I2Δt3]=P·T

(5)

式(5)中

(6)

(7)

(8)

根據(jù)式(5)～(8)，在給定開關(guān)周期T和M值的前提下，結(jié)合功率和電壓參數(shù)要求，可以計算得到LS與變壓器等效分布電容CP的關(guān)系式。

3設(shè)計實例

設(shè)計一臺高壓電源，輸出功率350W，輸入28V，輸出-4200V。預(yù)計電源效率為88%，那么變換器的輸入功率P=400W。設(shè)開關(guān)周期T=12.5μs，M=0.85，代入上列式中計算得到參數(shù)(見表1)。因為變壓器分布參數(shù)的差異性，所以取了4個不同變壓器等效分布電容的數(shù)值來計算諧振電感和諧振電容。

表1　不同分布電容所對應(yīng)的電感和電流值

實際的變壓器總匝比為1∶88，等效分布電容約為0.5μF，漏感約為2.4μH。根據(jù)表1，需要外接諧振電感0.65μH。隔直電容選用5μF聚丙烯薄膜電容。

圖4為原邊諧振電流波形，由圖可知，電源實際開關(guān)周期為13μS，滿載時電感電流峰峰值為46A，峰值電流23A，與理論計算值基本相同。諧振電流波形與圖2波形略有差別，這是因為實際電路中雜散電感和雜散電容引起的。這些雜散參數(shù)對計算結(jié)果的準(zhǔn)確性影響不大，可忽略不計。

圖4　諧振電流波形Fig.4　Resonant current waveform

圖5為滯后臂MOS管的漏極電壓和柵極驅(qū)動波形，滿載情況下，MOS管工作在ZVS狀態(tài)。實測電源效率，滿載時90%以上；半載時，由于滯后臂MOS管退出ZVS狀態(tài)，效率下降到85%左右。

圖5　滯后橋臂MOS管柵極驅(qū)動和漏極電壓波形Fig.5　The gate drive and drain voltage waveform of the lagging leg MOS tube

4結(jié)論

針對全橋移相應(yīng)用在高壓電源中的特殊性，經(jīng)過分析和推導(dǎo)，得到可用于電源工程研制的一

組公式。設(shè)計實例說明這些公式比較準(zhǔn)確，有較大的參考價值。需要注意的是，在工程研制中，高變比變壓器的等效分布電容對電路影響很大，且分布電容很難準(zhǔn)確測量[5-7]，因此需要計算多組參數(shù)，提高設(shè)計一次成功率。

參考文獻(xiàn)：

[1]ERICKSON, R.W.,et al. Comparison of Resonant Topologies in High-Voltage DC Applications[J]. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, 1998,24(3):263-274.

[2]汪軍. 脈沖行波管雷達(dá)發(fā)射機高壓電源設(shè)計[J]. 電力電子技術(shù)，2008，42(2)：36-37.

[3]陳軼涵, 韋微, 龔春英. 平均電流控制移相全橋DC-DC變換器輸出阻抗及控制環(huán)路優(yōu)化設(shè)計[J].電工技術(shù)學(xué)報，2013,28(4).

[4]Kim T H,Lee S J,Choi W.Design and control of the phase shift full bridge converter for the on-board battery charger of electric forklifts[J].Journal of Power Electronics,2012,12(1):113-119.

[5] Ivo Barbi,Roger Gules.Isolated DC-DC converters with high-output voltage for TWTA telecommunication voltage for TWTA telecommunication satellite applications[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2003,(4):975-984.

[6]Iannello C,Shiguo L,Batarseh I.A full bridge ZCS PWM converter for high voltage and high power applications[A]. Galway,UK,2000.1064-1071.

[7]蔣立昕,劉步堯. PWM型高壓電源的設(shè)計[J]. 電光與控制，2013,20(6)

capacitance

Research on Application of Full Bridge Phase Shifting Topology in the High Voltage DC Power Supply

WANG Qin-fang

(Hefei Institute of General Professional Technology, Hefei 230031, China)

Abstract:This paper analyzes the operational principles of phase shifting full bridge topology applied in the the high voltage dc power supply, draws out the key resonant current waveform, and deduces the correlations of the circuit resonant inductance LS, the transformer equivalent capacitance CP, and other parameters. Meanwhile, the resonant inductance and resonant current calculation formulas for engineering design are also given here. Based on the result of calculation, a high voltage dc power supply, with power of 350 w, input of 28 v, and output of -4200 v, has been designed. And the experimental results confirm the analysis.

Key words：high voltage power supply; phase-shift full-bridge converter; resonant inductance; equivalent

收稿日期：2015-12-11

作者簡介：汪琴芳(1975-)，女，安徽東至人，講師，碩士，研究方向為高壓電源。

中圖分類號：TM8

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1674-344X(2016)02-0045-03