電感分裂式推挽換向軟開關(guān)技術(shù)的研究

電感分裂式推挽換向軟開關(guān)技術(shù)的研究

摘要：提出一種電感分裂式推挽換向軟開關(guān)電路，分析該電路的工作原理及實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)的條件，仿真結(jié)果表明該電路控制簡(jiǎn)單、性能可靠，特別適用于中、小功率場(chǎng)合。

關(guān)鍵詞：電感分裂式推挽換向軟開關(guān)仿真

中圖法分類號(hào)：TM1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：0219?2713(2000)09?481?03

1引言

　　推挽電路因控制簡(jiǎn)單、無直通現(xiàn)象等優(yōu)點(diǎn)，在中、低電壓輸入變換器中得到廣泛應(yīng)用，但推挽電路中兩個(gè)開關(guān)管處于硬開關(guān)狀況，隨著開關(guān)頻率的增高，開通功耗較大[1]。橋臂換向軟開關(guān)在橋式變換器（包括半橋變換器）中得到廣泛應(yīng)用，如移相全橋軟開關(guān)電路[2]，但橋臂換向軟開關(guān)無法在推挽電路中應(yīng)用，雖然文獻(xiàn)[3],[4]對(duì)推挽軟開關(guān)作過探討，但它只能應(yīng)用于雙管推挽電路，且增加一只開關(guān)管的導(dǎo)通損耗，這對(duì)低電壓輸入的推挽電路是不適宜的。

　　針對(duì)這種情況，本文通過分裂次級(jí)直流濾波電感，再將其等效到初級(jí)實(shí)現(xiàn)推挽電路的零電壓開通軟開關(guān)技術(shù)。

2電路拓樸結(jié)構(gòu)及工作原理

2．1主電路拓樸結(jié)構(gòu)

　　電感分裂式推挽換向軟開關(guān)的主電路結(jié)構(gòu)及其開關(guān)管的控制方式如圖1（a）及圖1（b）所示。它與一般的推挽電路不同之處有兩點(diǎn)：一是次級(jí)濾波電感分裂為兩個(gè)（L1=L2=L），二是變壓器次級(jí)給出兩個(gè)去磁繞組LN3、LN4，它與V3、V4、L1、L2一起構(gòu)成去磁回路。

2．2工作原理

　　其電路可分為如下幾個(gè)工作過程：

　　（1）t0～t1階段，即開關(guān)管S1導(dǎo)通期間，變壓器次級(jí)LN2產(chǎn)生下正上負(fù)的感應(yīng)電壓，變壓器向負(fù)載傳輸能量，此時(shí)變壓器次級(jí)LN2、二極管V2、電感L2和負(fù)載形成回路。t1時(shí)刻，S1關(guān)斷，S1兩端電壓被電容C1箝位不能突變，所以S1是軟關(guān)斷。

　?。?）t1～t2階段，t1時(shí)刻，S1關(guān)斷，LP2、GB、V6形成初級(jí)勵(lì)磁泄放回路。同時(shí)在LN3兩端產(chǎn)生上正下負(fù)的感應(yīng)電壓，此時(shí)二極管V3導(dǎo)通，電感L2、與負(fù)載R和變壓器次級(jí)LN3形成iL2續(xù)流回路。t2時(shí)刻，S2被驅(qū)動(dòng)。設(shè)此時(shí)iL2電流未泄放到零，初級(jí)V6仍為導(dǎo)通狀態(tài)，S2兩端電壓為零，是零電壓開通。

　?。?）t2～t3階段，仍是iL2續(xù)流階段，t3時(shí)刻，iL2泄

(a)主電路圖(b)開關(guān)管的控制信號(hào)

圖1主電路及開關(guān)管的控制信號(hào)圖

圖2主電路的等效拓樸結(jié)構(gòu)

（a）t0～t1階段(b)和t1～t1階段

放完畢。

　?。?）t3～t4階段，t3時(shí)刻，iL2=0，LP2上電流換向，變壓器次級(jí)繞組LN1兩端產(chǎn)生上正下負(fù)的感應(yīng)電壓，二極管V1導(dǎo)通。

　　t4時(shí)刻以后，重復(fù)上半周工作過程。

　　綜合上述過程，可以看出該電路實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)的基本原理及特點(diǎn)：

　?。?）在S1、S2都不導(dǎo)通期間（t1～t2,t4～t5），L1（L2）的續(xù)流電流耦合到初級(jí)，形成V5、V6換向電流，這個(gè)電流能維持到S1、S2的驅(qū)動(dòng)脈沖到來，就可以實(shí)現(xiàn)零電壓開通。

　?。?）分裂的L1、L2電流疊加對(duì)負(fù)載為連續(xù)狀態(tài)。故L1、L2的綜合效果是一直流濾波電感，但單個(gè)電感L1或L2的電流在整個(gè)周期是不連續(xù)的，在S1或S2開通期間呈交流電感性質(zhì)，所以它和橋臂換向性串聯(lián)在初級(jí)的電感所起的作用一樣。

3基本關(guān)系式

3．1主要關(guān)系式

　　依據(jù)上述電路的工作過程，得到各換向階段的等效電路如圖2所示。

　?。?）t0～t1階段：變壓器傳輸能量階段，此時(shí)的等效拓樸結(jié)構(gòu)如圖2（a）所示。　　圖中是變壓器初級(jí)漏感和次級(jí)電感的等效電感，為變壓器次級(jí)負(fù)載折合到初級(jí)的等效負(fù)載，為變壓器次級(jí)電容折合到初級(jí)的等效電容，則流過等效負(fù)載和等效漏感的電流iL2滿足方程：(1)

電路的初始條件為：iL2（t0）=0UC（t0)=Umin

可求得該電路的解為：(2)式中

　?。?）當(dāng)t1～t3階段：續(xù)流階段，其等效電路為圖2（b）所示。

次級(jí)回路的狀態(tài)方程為：（3）

邊界條件：iL（t2）=ILP，uC（t2）=UOP（ILP為峰值電流，UOP為峰值電壓）。若電路是理想的，即，這里假設(shè)uC（t）=常數(shù),則求解式（3）得到：（4）

iL2的續(xù)流時(shí)間為：(5)

3．2問題及分析

　?。?）由式（5）可以看出，只要△t>(t3－t1)時(shí),電路就可實(shí)現(xiàn)零電壓軟開關(guān)技術(shù)。

　?。?）由等效電路圖2（b）及式（2）可以看出L1（L2）在電路中實(shí)質(zhì)上起到了橋臂換向中的換向交流電感作用，因此它也存在占空比丟失問題[4]。

　　（3）由于L1（L2）的開通電流與續(xù)流電流的等效回路參數(shù)基本相同，當(dāng)NLN3=NLN1=NLN2時(shí)，極易造成初級(jí)S1（S2）電流為鋸齒波電流，它加大了開關(guān)器件的電流應(yīng)力。雖然可以通過改變(NLN1/NP)的比值來改變續(xù)流時(shí)間△t，但不是理想辦法。如何構(gòu)造一個(gè)可控的電感L1（L2）是該電路進(jìn)一步改進(jìn)的方法。

4仿真結(jié)果

圖3相關(guān)的電壓、電流和驅(qū)動(dòng)波形

圖4開關(guān)管功耗與負(fù)載功率

　　為了檢驗(yàn)本文提出的電感分裂式推挽換向軟開關(guān)電路的工作狀況，運(yùn)用PSPICE電子線路仿真軟件進(jìn)行了仿真。

　　仿真所用電參數(shù)為：

　　電感L1=L2=0．1mH，電容C5=C6=0．6μF，負(fù)載R=10Ω。

　　圖3給出了仿真時(shí)開關(guān)管的電壓、電流及S2的驅(qū)動(dòng)波形。圖4給出了開關(guān)管的功率損耗波形及輸出平均功率波形。

　　由圖3（d）可以看出開關(guān)管的電壓為零時(shí)，開關(guān)管才開通，即零電壓開通，此時(shí)如圖3（b）所示開關(guān)管電流為零，圖3（c）為變壓器次級(jí)電感LN3的電壓波形，圖3（a）為電感L1、L2的電流波形，可以看出電感電流在換向期間，變壓器次級(jí)電壓的變化情況。

　　圖4為開關(guān)管的功耗分析，從圖4（a）及（b）可以看出，當(dāng)開關(guān)管開通時(shí)，開關(guān)管功耗為零，計(jì)算圖4（a）及（b）的功耗，其開關(guān)管的功耗很小，可見其效率很高。

5結(jié)論

　　本文提出的這種電感分裂式推挽換向軟開關(guān)技術(shù)，具有其優(yōu)點(diǎn)，特別適用于中、低功率場(chǎng)合，但由于存在占空比丟失現(xiàn)象，如何形成可控電感L1（L2），有待于進(jìn)一步研究。

參考文獻(xiàn)

1關(guān)宇東，張群.PWM相位調(diào)制集成片ML4818及其應(yīng)用.電力電子技術(shù)，1995；（2）

2張國安，朱忠尼.一種新型的移相推挽式軟開關(guān)技術(shù)的研究.全國電工技術(shù)年會(huì)電力電子學(xué)會(huì)第6次全國學(xué)術(shù)會(huì)議文集

3張國安、朱忠尼?一種雙管推挽諧振軟開關(guān)研究?電力電子技術(shù)?1997;(4)

4楊旭，王兆安.一種零電壓過渡全橋軟開關(guān)電路的研究.全國電工技術(shù)年會(huì)電力電子學(xué)會(huì)第6次全國學(xué)術(shù)會(huì)議文集