胡利民,張亞紅
(遼寧鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院,遼寧 錦州 121000)
普通移相全橋零電壓軟開關(guān)主電路中,變壓器次級整流電路采用二極管全波整流電路。這種電路結(jié)構(gòu)不容易實現(xiàn)大電流輸出[1]。為了實現(xiàn)低電壓大電流輸出,可以采用移相全橋同步整流零電壓軟開關(guān)電路。此電路利用變壓器原邊漏電感和功率管的寄生電容或外接電容實現(xiàn)零電壓開關(guān),大大提高了電路效率。變壓器副邊采用導(dǎo)通電阻低的功率MOSFET作為整流器件,降低了損耗,減輕了散熱壓力,實現(xiàn)了電源產(chǎn)品的小型化[2-3]。
移相全橋同步整流主電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。開關(guān)管Q1和Q3構(gòu)成超前橋臂,開關(guān)管Q2和Q4構(gòu)成滯后橋臂。每個橋臂上下開關(guān)管互補(bǔ)導(dǎo)通,并設(shè)置死區(qū)時間。兩個橋臂的導(dǎo)通角相差一個相位即移相角,通過調(diào)節(jié)移相角的大小來調(diào)節(jié)輸出電壓值。D1~D4分別是開關(guān)管Q1~Q4的內(nèi)部寄生二極管,C1~C4分別是開關(guān)管Q1~Q4的內(nèi)部寄生電容,L1是變壓器原邊漏電感,即諧振電感。為了實現(xiàn)大電流輸出,變壓器副邊采用導(dǎo)通電阻低的功率MOSFET(Q5和Q6)作為整流器件。二者工作在正向阻斷而反向?qū)顟B(tài),用以提高電路效率,減輕散熱壓力,實現(xiàn)電源產(chǎn)品的小型化[4-5]。為了獲取更大的有效值電流和更高的效率,變壓器副邊采用全波整流模式,即主變壓器副繞組采用帶中心抽頭方式。同步整流管的驅(qū)動信號采用他激方式。
圖1 移相全橋同步整流主電路
本仿真參數(shù)設(shè)置:輸入電壓范圍200~400 VDC,開關(guān)管頻率50 kHz,主開關(guān)管占空比0.45,死區(qū)時間1 μs;主變壓器原邊電感值250 μH,副邊電感值為3 μH,原副邊耦合系數(shù)0.9,輸出濾波電感L1=10μH、濾波電容C7=2 000μF,輸出電壓13.5 V;諧振電感L2=20μH,變壓器原邊功率管的等效電容1 nF,同步整流管的吸收電阻14 kΩ,吸收電容為1 nF。利用PSPICE仿真軟件搭建的移相全橋同步整流仿真電路[6],如圖2所示。
圖3為輸入直流電壓312 VDC,變壓器副邊電壓、同步整流管漏源極電壓/電流、輸出電壓,變壓器原邊電壓波形(負(fù)載1 Ω);圖4為輸入直流電壓312 VDC,變壓器副邊電壓、同步整流管漏源極電壓/電流,輸出電壓,變壓器原邊電壓波形(負(fù)載0.5 Ω);圖5為輸入直流電壓312 VDC,變壓器副邊電壓、同步整流管漏源極電壓/電流,輸出電壓,變壓器原邊電壓波形(負(fù)載0.15 Ω)。由圖3、圖4和圖5可知,由于諧振電感和變壓器漏電感的影響,負(fù)載越重,變壓器副邊占空比丟失越嚴(yán)重。占空比的丟失是因為同步整流管換流導(dǎo)致的。諧振電感值和漏電感值越大,占空比丟失越嚴(yán)重。
圖2 移相全橋同步整流仿真電路
圖4 輸入直流電壓312 VDC,變壓器副邊電壓、同步整流管漏源極電壓/電流,輸出電壓,變壓器原邊電壓波形(負(fù)載0.5 Ω)
圖6為輸入直流電壓200 VDC時,變壓器副邊電壓、同步整流管漏源極電流、輸出電壓、變壓器原邊電壓波形(負(fù)載1 Ω);圖7為輸入直流電壓400 VDC時,變壓器副邊電壓、同步整流管漏源極電流、輸出電壓、變壓器原邊電壓波形(負(fù)載1 Ω)。由圖6、圖7可以看出,在負(fù)載一定的條件下,輸入電壓越低,變壓器副邊占空比丟失越嚴(yán)重。
圖5 輸入直流電壓312 VDC,變壓器副邊電壓、同步整流管漏源極電壓/電流,輸出電壓,變壓器原邊電壓波形(負(fù)載0.15 Ω)
圖6 輸入直流電壓200 VDC時,變壓器副邊電壓、同步整流管漏源極電流、輸出電壓、變壓器原邊電壓波形(負(fù)載1 Ω)
圖7 輸入直流電壓400 VDC時,變壓器副邊電壓、同步整流管漏源極電流、輸出電壓、變壓器原邊電壓波形(負(fù)載1 Ω)
圖8為輸入直流電壓為400 VDC時,滯后橋臂上開關(guān)管漏源極電流和電壓波形(負(fù)載為0.135 Ω);圖9為輸入直流電壓為200 VDC時,滯后橋臂上開關(guān)管漏源極電壓和電流波形(負(fù)載為1 Ω);圖10為輸入直流電壓為312 VDC時,滯后橋臂上開關(guān)管漏源極電流和電壓波形(負(fù)載為0.135 Ω)。由圖8、圖9和圖10可以看出,在整個輸入電壓范圍內(nèi)(200~400 VDC),滯后橋臂均能實現(xiàn)零電壓開關(guān)。只要滯后橋臂能實現(xiàn)軟開關(guān),那么超前臂就一定能實現(xiàn)軟開關(guān)。因為滯后橋臂實現(xiàn)軟開關(guān)的電感值較小,只有諧振電感和漏電感參與能量的轉(zhuǎn)換,而超前橋臂實現(xiàn)軟開關(guān)是諧振電感和漏電感與濾波電感折算到原邊的值之和參與能量轉(zhuǎn)換。
移相全橋同步整流電路中由于諧振電感和變壓器漏電感的存在,變壓器副邊占空比會隨著負(fù)載加大和輸入電壓值減小。分析表明,諧振電感和變壓器漏電感設(shè)計值只要滿足滯后橋臂上開關(guān)管具有零電壓開關(guān)環(huán)境,超前橋臂上開關(guān)管就將具有零電壓開關(guān)環(huán)境。
圖8 輸入直流電壓為400 VDC時,滯后橋臂上開關(guān)管漏源極電流和電壓波形(負(fù)載為0.135 Ω)
圖9 輸入直流電壓為200 VDC時,滯后橋臂上開關(guān)管漏源極電壓和電流波形(負(fù)載為1 Ω)
圖10 輸入直流電壓為312 VDC時,滯后橋臂上開關(guān)管漏源極電流和電壓波形(負(fù)載為0.135 Ω)