ZVS 軟開關(guān)直流推挽拓?fù)渚C述
2021-10-08 00:51屈誠志
科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2021年27期
張 釗，屈誠志，姜 月，解 冀
（上海空間電源研究所，上海 201100）
隨著直流開關(guān)電源技術(shù)的不斷發(fā)展，根據(jù)幾種基本拓?fù)浒l(fā)展出了豐富的新型衍生電路。按照是否有電氣隔離可以將直流變換器分成兩類，一類是沒有變壓器隔離的非隔離型直流變換器，另一類是有變壓器隔離的隔離型直流變換器。多種電源拓?fù)溆懈髯缘膽?yīng)用場合和限制條件，某些拓?fù)湓谝欢ǔ潭壬嫌钟惺褂梅秶系慕徊妗?/p>
小型化和模塊化是當(dāng)前直流開關(guān)電源的重要發(fā)展方向，而高頻化又是變換器小型化的基礎(chǔ)。軟開關(guān)技術(shù)可以降低開關(guān)器件的開關(guān)損耗，有效提升高頻直流變換器的效率，減小了器件發(fā)熱和電磁干擾，是當(dāng)前開關(guān)電源技術(shù)的發(fā)展趨勢，具有重要的實際意義和研究價值。
推挽電路具有結(jié)構(gòu)簡單，適用于中等功率場合的優(yōu)點，但其軟開關(guān)技術(shù)對于移相全橋研究較少，本文將介紹幾種基本隔離型拓?fù)涞膽?yīng)用場合，分析ZVS 軟開關(guān)的種類和原理，根據(jù)目前推挽軟開關(guān)電路中開關(guān)管的數(shù)量分類，對兩管ZVS 推挽拓?fù)?、三管ZVS 推挽拓?fù)浜退墓躗VS 推挽拓?fù)溥M(jìn)行簡要分析。
1 隔離型拓?fù)鋺?yīng)用場合
隔離型直流變換器通常采用變壓器隔離，其本身也具有變壓功能，使直流變換器擁有寬泛的輸入和輸出電壓變換范圍。與非隔離型相比，變壓器的應(yīng)用便于實現(xiàn)多路不同電壓或相同電壓輸出。
在設(shè)計直流開關(guān)電源時，要選擇與需求功率等級匹配的拓?fù)?，并根?jù)電壓應(yīng)力和電流應(yīng)力選擇開關(guān)管規(guī)格。目前正激、反激、推挽、半橋和全橋是比較常見的五種隔離型開關(guān)電源拓?fù)?，它們的一些適用范圍和特性如表1所示。
表1 隔離型拓?fù)涮匦员容^
從開關(guān)管的電壓應(yīng)力和電流應(yīng)力上看，全橋拓?fù)渚哂忻黠@的優(yōu)勢，其電壓應(yīng)力是一倍輸入電壓峰值，小于正激、反激和推挽拓?fù)涞膬杀斗逯?，這說明使用相同的開關(guān)管，全橋拓?fù)淇梢猿惺芨叩妮斎腚妷?，推挽等拓?fù)溥m用于輸入電壓較小的情況。另一方面，提高了耐壓水平且提升了功率等級的全橋拓?fù)涫褂玫拈_關(guān)管數(shù)量也多于中小功率拓?fù)洌乖O(shè)計出的產(chǎn)品體積和質(zhì)量較大。所以，在主功率拓?fù)渲虚_關(guān)管種類確定時，變換器的輸出功率通常與所用開關(guān)管數(shù)量成正比。
五種基本隔離型直流電源拓?fù)涞墓β实燃壢鐖D1 所示。主功率拓?fù)涞倪x擇在小功率、中功率和大功率交界區(qū)域有一定寬泛性，尤其對適合于中功率場合的推挽電路來說，在中小功率領(lǐng)域和中大功率領(lǐng)域也有廣泛應(yīng)用。
圖1 基本隔離型直流電源拓?fù)涔β实燃壥疽鈭D
除了考慮主拓?fù)涞墓β实燃壓凸β书_關(guān)管的電壓電流需求，在選擇拓?fù)鋾r還要考慮到其固有特性，例如正激電路雖然電路簡單，但是需要磁復(fù)位電路；推挽電路開關(guān)互補導(dǎo)通，時間利用率高的同時，也產(chǎn)生了變壓器偏磁的問題；全橋電路容易達(dá)到大功率等級，代價是結(jié)構(gòu)復(fù)雜和成本較高。
2 軟開關(guān)技術(shù)原理
當(dāng)前使用的功率開關(guān)管并不是理想器件，在開關(guān)管開通時，電壓和電流不能突變，需要一段時間的減小和增加；在開關(guān)管關(guān)斷時，電壓和電流也需要一段時間增加和減小。這段時間里，電壓和電流在交疊區(qū)中產(chǎn)生了開關(guān)損耗，其原理示意圖如圖2 所示。一般情況下一個周期內(nèi)開關(guān)管的開關(guān)損耗只與其本身性質(zhì)有關(guān)，可以視作一個恒定的值，因此，直流變換器的總開關(guān)損耗與開關(guān)頻率成正比。
圖2 硬開關(guān)的開關(guān)過程
開關(guān)損耗可以使變換器的效率降低，這直接限制了開關(guān)頻率的提升，從而限制了變換器的小型化。為了在滿足變換器效率的前提下提升開關(guān)頻率，軟開關(guān)技術(shù)應(yīng)運而生。軟開關(guān)的基本原理是使功率器件在開通（或關(guān)斷）時電壓電流沒有交疊或交疊區(qū)域盡可能減小，其原理示意圖如圖3 所示。
圖3 軟開關(guān)的開關(guān)過程
20 世紀(jì)70 年代出現(xiàn)了串聯(lián)和并聯(lián)諧振軟開關(guān)，隨后80 年代準(zhǔn)諧振和多諧振軟開關(guān)的誕生使得軟開關(guān)技術(shù)豐富多彩起來，零電流脈寬調(diào)制技術(shù)（ZCS）PWM、零電壓脈寬調(diào)制技術(shù)（ZVS）PWM 和移相全橋ZVS 技術(shù)也在這個時代問世，到90 年代時，零電流轉(zhuǎn)換（ZCT）PWM、零電壓轉(zhuǎn)換（ZVT）PWM 和移相全橋ZVZCS 技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。
ZVS 零電壓開關(guān)和ZCS 零電流開關(guān)是直流變換器軟開關(guān)的兩個方向，功率場效應(yīng)管（MOSFET）有較大的寄生電容，適合采用ZVS 方案。開通前可以放掉寄生電容在關(guān)斷時積攢的電荷，減少容性開通損耗。絕緣柵雙極性晶體管（IGBT）在關(guān)斷時會有電流拖尾，采用ZCS 方案可以使開關(guān)管在關(guān)斷前電流下降為零，降低關(guān)斷損耗。諧振類型的軟開關(guān)是通過電感和電容諧振，讓本該交疊的電壓電流分開，下面通過對ZVS 準(zhǔn)諧振軟開關(guān)進(jìn)行介紹來更直觀地說明軟開關(guān)的實現(xiàn)路線。
圖4 給出了M 型和L 型ZVS 諧振軟開關(guān)的基本模塊，它們的原理是相同的。當(dāng)開關(guān)管S1導(dǎo)通時，諧振電容Cr兩端電壓為零；當(dāng)開關(guān)管S1關(guān)斷時，諧振電容Cr充電使S1兩端電壓上升延遲，從而完成S1的零電壓關(guān)斷；當(dāng)開關(guān)管S1開通時，諧振電感Lr和諧振電容Cr諧振，使得諧振電容Cr的電壓下降到零，從而完成S1的零電壓開通。
圖4 零電壓諧振開關(guān)
3 推挽軟開關(guān)拓?fù)浞诸?/h2>
在直流變換器的軟開關(guān)技術(shù)探索中，涌現(xiàn)了種類繁多的推挽軟開關(guān)拓?fù)洹０殡S著現(xiàn)代電力電子技術(shù)的不斷推進(jìn)，推挽拓?fù)洳粌H在全諧振、準(zhǔn)諧振和多諧振這三種諧振型變換器領(lǐng)域得到應(yīng)用，還出現(xiàn)了推挽零開關(guān)PWM變換器和推挽零轉(zhuǎn)換PWM 變換器。
其中三種基本諧振型變換器有著很大的缺陷或者限制條件，為了保持輸出電壓的穩(wěn)定性，諧振、準(zhǔn)諧振和多諧振變換器需要調(diào)整頻率，這導(dǎo)致濾波模塊和變壓器的設(shè)計難度加大，零開關(guān)PWM 和零轉(zhuǎn)換PWM 通過增加輔助開關(guān)管的方法實現(xiàn)了定頻調(diào)寬的軟開關(guān)控制方案。面對當(dāng)前眾多推挽軟開關(guān)設(shè)計方案，本文使用輔助開關(guān)管數(shù)量為分類標(biāo)準(zhǔn)，介紹三種推挽軟開關(guān)拓?fù)洌簺]有使用輔助開關(guān)管的雙管推挽ZVS 拓?fù)洌皇褂靡粋€輔助開關(guān)管的三管推挽ZVS 拓?fù)?；使用兩個輔助開關(guān)管的四管推挽ZVS 拓?fù)洹?/p>
3.1 雙管推挽ZVS 拓?fù)?/h3>
雙管推挽ZVS 拓?fù)涫峭仆祀娐纷钤缡褂玫能涢_關(guān)方法，可以實現(xiàn)降低開關(guān)損耗的目標(biāo)，但是面臨輸出電壓在固定頻率不可調(diào)的問題，采用頻率控制方法也不利于磁元件的優(yōu)化。此類拓?fù)渲饕譃樽儔浩髟呏C振和變壓器副邊諧振兩種，根據(jù)這兩種基本思路出現(xiàn)了眾多改進(jìn)和衍生型拓?fù)?，見圖5。
圖5 兩管推挽ZVS 拓?fù)?/p>
副邊LC 諧振型推挽拓?fù)涫歉鶕?jù)Ryan M.J.等人提出的副邊LCL 推挽拓?fù)涓倪M(jìn)形成的，Boonyaroonate I.等人將諧振電容Cr提至全橋整流電路前端，與諧振電感Lr串聯(lián)，成功解決了因諧振電感在輸出端造成的輸出電壓受諧振電流波動影響的問題。原邊LC 諧振型推挽拓?fù)涫茿rulselvil S.等人為了有效利用MOSFET 開關(guān)管的結(jié)電容設(shè)計的，與副邊LC 諧振型相比，兩個開關(guān)管使用了兩個諧振電感和諧振電容，使電路多了一個諧振電感元件。還有一些學(xué)者提出了增加無源器件數(shù)量的原邊或副邊LLC 推挽諧振拓?fù)?，以進(jìn)一步提高增益或減小開關(guān)管應(yīng)力，在文獻(xiàn)[3]中有詳盡的介紹。
3.2 三管推挽ZVS 拓?fù)?/h3>
為了可以使變換器在恒定頻率下實現(xiàn)軟開關(guān)功能，有學(xué)者通過在電路中增加輔助開關(guān)管的方法，設(shè)計出了三管推挽ZVS 拓?fù)洹D6 中S1和S2是主開關(guān)管，S3位于輸入干路上是輔助開關(guān)管，三個開關(guān)管采用PWM 控制方法。拓?fù)溆袃深愔C振環(huán)節(jié)，一類是濾波電感Lf與電容C3和其中一個主開關(guān)管的并聯(lián)電容諧振，可以實現(xiàn)主開關(guān)S1和S2的ZVS 開通；另一類是變壓器的漏感與電容C3和其中一個主開關(guān)管的并聯(lián)電容諧振，可以實現(xiàn)輔助開關(guān)管C3的ZVS 開通。
圖6 三管推挽ZVS 拓?fù)?/p>
此類三管推挽ZVS 拓?fù)洳粌H可以實現(xiàn)主開關(guān)管的零電壓開關(guān)，也可以實現(xiàn)輔助開關(guān)管的零電壓開關(guān)，三個開關(guān)管零電壓關(guān)斷的三個諧振區(qū)間是圖7 中的t1～t2、t3～t4和t5～t6，這三個諧振區(qū)間位于三個開關(guān)管驅(qū)動信號之間的死區(qū)上，時間長度大概是開關(guān)周期的1/10，對整個變換器影響不大。原理與移相全橋軟開關(guān)相似，S1和S2是超前臂開關(guān)管，S3是滯后臂開關(guān)管。
圖7 三管推挽開關(guān)管驅(qū)動信號
針對輔助開關(guān)管ZVS 負(fù)載范圍小的問題，文獻(xiàn)[6]中對此類拓?fù)溥M(jìn)行了優(yōu)化，通過在輔助開關(guān)管兩端并聯(lián)LC電路或在變壓器副邊串聯(lián)飽和電感，增加輔助開關(guān)管ZVS 范圍，使其對變壓器的漏感大小依賴度降低。
3.3 四管推挽ZVS 拓?fù)?/h3>
雖然有一些提升三管推挽ZVS 輔助開關(guān)管負(fù)載范圍的方案，但是在輔助開關(guān)管兩端并聯(lián)LC 電路會增加環(huán)流階段的導(dǎo)通損耗，在變壓器副邊串聯(lián)飽和電感也有電感發(fā)熱嚴(yán)重的問題。文獻(xiàn)[7]提出了一種使用兩個輔助開關(guān)管的三電平ZVS 脈寬調(diào)制拓?fù)洌粌H可以實現(xiàn)ZVS 軟開關(guān)，還有效地改變了推挽電路中開關(guān)管承受二倍輸入電壓的狀態(tài)。
如圖8 所示，三電平四管推挽ZVS 拓?fù)浣梃b中點箝位（neutral point clamped，NPC）的思想，使用兩個開關(guān)管串聯(lián)在一起在功能和結(jié)構(gòu)上代替一個開關(guān)管，兩個開關(guān)管電壓應(yīng)力相同，都為一倍輸入電壓。使用這種方法不僅可以推導(dǎo)出三電平推挽ZVS 拓?fù)?，還可以應(yīng)用在其他的變換器設(shè)計中，解決同類問題。
圖8 四管推挽ZVS 拓?fù)?/p>
與移相全橋拓?fù)涫窒嗨疲褂昧怂膫€開關(guān)管的三電平推挽ZVS 拓?fù)湟彩褂昧艘葡嗫刂品桨?，S1和S4是超前臂開關(guān)管，S2和S3是滯后臂開關(guān)管。在ZVS 軟開關(guān)的設(shè)計上也充分利用了開關(guān)管的寄生電容和變壓器漏感，諧振電感Lr實現(xiàn)了滯后臂開關(guān)管寬負(fù)載范圍ZVS 的目標(biāo)。值得一提的是，上下兩個漏感繞組電壓大小相同，所以電流變化率也相同。當(dāng)一個繞組電流下降時，另一個繞組電流就會同速率上升，也就是說一個漏感繞組通過電容Clink向另外一個漏感繞組傳輸能量，有了更多能量的漏感繞組使滯后臂開關(guān)管更容易達(dá)到ZVS 的目標(biāo)。
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