0 引言

    目前，全橋直流變換器已在中大功率場(chǎng)合得到了廣泛應(yīng)用。為了進(jìn)一步降低電能變換的損耗，軟開(kāi)關(guān)技術(shù)在全橋直流變換器的設(shè)計(jì)中必不可少^[1]。應(yīng)用于全橋直流變換器的軟開(kāi)關(guān)技術(shù)大致有三類，分別為零電壓開(kāi)關(guān)（Zero Voltage Switching，ZVS）技術(shù)、零電壓零電流開(kāi)關(guān)（Zero Voltage Zero Current Switching，ZVZCS）技術(shù)以及零電流開(kāi)關(guān)（Zero Current Switching，ZCS）技術(shù)。ZVZCS技術(shù)通過(guò)設(shè)計(jì)諧振元件或增加輔助電路，較好地實(shí)現(xiàn)了全橋直流變換器滯后臂的零電流關(guān)斷，但其超前臂仍為零電壓開(kāi)通方式，因此超前臂的開(kāi)關(guān)管多采用MOSFET，這使得采用ZVZCS技術(shù)的全橋直流變換器在功率等級(jí)方面受到限制。ZCS技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)全橋直流變換器超前臂和滯后臂的零電流關(guān)斷，且開(kāi)關(guān)管均采用IGBT^[2]。本文提出了一種帶輔助電路的ZCS軟開(kāi)關(guān)全橋直流變換器，適用于中大功率場(chǎng)合，且具有較低的損耗。

1 電路拓?fù)浼肮ぷ髟?/strong>

    本文提出的ZCS軟開(kāi)關(guān)全橋直流變換器，其電路拓?fù)淙鐖D1所示。其中開(kāi)關(guān)管Sa、二極管Da、電容Ca以及電感La共同構(gòu)成超前臂輔助電路。而變壓器副邊的電容Cc、二極管Dc以及二極管Dv共同構(gòu)成滯后臂輔助電路。兩輔助電路實(shí)現(xiàn)了全橋直流變換器開(kāi)關(guān)管的ZCS，并且超前臂輔助電路中的開(kāi)關(guān)管Sa也工作于零電流開(kāi)關(guān)狀態(tài)^[3]。

    ZCS軟開(kāi)關(guān)全橋直流變換器在半個(gè)工作周期中可細(xì)分為8個(gè)階段，本文將其定義為8個(gè)工作模式^[4]。ZCS軟開(kāi)關(guān)全橋直流變換器的工作波形如圖2所示。其中，V_gs13為超前臂開(kāi)關(guān)管S1及S3的柵源極間電壓，V_gs24為滯后臂開(kāi)關(guān)管S2及S4的柵源極間電壓，V_primary為變壓器原邊電壓，I_S1至I_S4分別為流過(guò)開(kāi)關(guān)管S1～S4的電流。

    工作模式1(t₀≤t<t₁)：當(dāng)t=t₀時(shí)，開(kāi)關(guān)管S1及S2處于開(kāi)通狀態(tài)，變換器通過(guò)二極管D3及D4輸出能量。超前臂輔助電路中的開(kāi)關(guān)管Sa在t₀時(shí)刻處于開(kāi)通狀態(tài)，電容Ca開(kāi)始放電，并與電感La產(chǎn)生諧振。當(dāng)開(kāi)關(guān)管Sa中流過(guò)的電流降為零時(shí)，工作模式1結(jié)束。變換器等效電路圖如圖3所示。

    在等效電路圖中，V_in為變壓器原邊的輸入電壓，I_in為變壓器原邊的輸入電流。流過(guò)電感La的電流I_La及流過(guò)開(kāi)關(guān)管S1的電流I_S1的表達(dá)式如式(1)及式(2)所示：

    式中：n為變壓器的變比，I_o為輸出電流，Lt為變壓器漏感，I_S1為流過(guò)開(kāi)關(guān)管S1的電流，I_La為流過(guò)電感La的電流，I_Lt為流過(guò)變壓器漏感的電流，V_Ca為電容Ca兩端的電壓，Vo為輸出電壓。

    工作模式2(t₁≤t<t₂)：當(dāng)t=t₁時(shí)，流過(guò)開(kāi)關(guān)管Sa的電流I_Sa反向流過(guò)開(kāi)關(guān)管Sa的反并聯(lián)二極管DSa。當(dāng)電流流過(guò)二極管DSa時(shí)，開(kāi)關(guān)管Sa在零電流條件下關(guān)斷。工作模式2的等效電路圖如圖4所示。隨著電容Ca與電感La諧振的發(fā)生，電容Ca兩端的電壓不斷升高，而流過(guò)開(kāi)關(guān)管S1的電流I_S1不斷降低。當(dāng)流過(guò)開(kāi)關(guān)管S1的電流I_S1降為零時(shí)，變換器工作模式2結(jié)束。在工作模式2中，流過(guò)開(kāi)關(guān)管S1的電流I_S1和流過(guò)電感La的電流I_La的表達(dá)式與工作模式1相同。

    工作模式3(t₂≤t<t₃)：當(dāng)t=t₂時(shí)，流過(guò)開(kāi)關(guān)管S1的電流反向流過(guò)開(kāi)關(guān)管S1的反并聯(lián)二極管DS1，開(kāi)關(guān)管S1可在零電流條件下關(guān)斷，即實(shí)現(xiàn)ZCS。隨著電容Ca與電感La產(chǎn)生諧振，電容Ca兩端的電壓繼續(xù)升高。超前臂輔助電路中的電流反向流過(guò)二極管DSa。工作模式3的等效電路圖如圖5所示。

    工作模式4(t₃≤t<t₄)：當(dāng)t=t₃時(shí)，開(kāi)關(guān)管S3處于開(kāi)通狀態(tài)，并且由于電感La及變壓器漏感的存在，開(kāi)關(guān)管S3可實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)。在工作模式4中，滯后臂輔助電路中的二極管Dv正向?qū)ǎ娙軨c處于放電狀態(tài)，且電容Lc兩端的電壓為變壓器原邊電壓的反電壓。

    工作模式5(t₄≤t<t₅)：當(dāng)t=t₄時(shí)，開(kāi)關(guān)管S2中的電流I_S2減小為零，開(kāi)關(guān)管S2可在零電流條件下關(guān)斷，即實(shí)現(xiàn)ZCS。在工作模式5中，變換器輸入回路電流流過(guò)二極管DSa及開(kāi)關(guān)管S3，而輸出回路中的電容Cc持續(xù)處于放電狀態(tài)，并為負(fù)載提供能量輸出。

    工作模式6(t₅≤t<t₆)：當(dāng)t=t₅時(shí)，變換器輸入回路中的電流減小為零，開(kāi)關(guān)管S3可在零電流條件下關(guān)斷，即實(shí)現(xiàn)ZCS。在變換器輸出回路中，電容Cc處于放電狀態(tài)，電流通過(guò)二極管Dv形成回路，為負(fù)載提供能量。

    工作模式7(t₆≤t<t₇)：當(dāng)t=t₆時(shí)，變換器輸出回路中，電容Cc放電結(jié)束，二極管D1至D4開(kāi)始正向?qū)ú⑿纬奢敵龌芈罚?fù)載電流經(jīng)二極管D1至D4流過(guò)。

    工作模式8(t₇≤t<t₈)：當(dāng)t=t₇時(shí)，開(kāi)關(guān)管S4開(kāi)通，由于變壓器漏感的存在，流過(guò)開(kāi)關(guān)管S4的電流逐漸升高。在變換器輸出回路中，電流流過(guò)二極管D1、D2及Dv。滯后臂輔助電路中的電容Cc與變壓器漏感產(chǎn)生諧振，電容Cc電壓開(kāi)始上升。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

    根據(jù)本文提出的ZCS軟開(kāi)關(guān)全橋直流變換器結(jié)構(gòu)，試制了一臺(tái)功率為3 kW的樣機(jī)。樣機(jī)輸入電壓V_in=400 V，輸出電壓V_o=380 V，工作頻率f=80 kHz。超前臂輔助電路中電感La=3 μH，電容Ca=62 nF，滯后臂輔助電路中的電容Cc=3.3 μF。變壓器變比n=21/18，變壓器漏感Lt=3.2 μH。為了便于實(shí)驗(yàn)觀察，對(duì)樣機(jī)進(jìn)行電壓波形測(cè)量時(shí)，將電壓波形幅值縮小了100倍，對(duì)電流波形測(cè)量時(shí)，采用相應(yīng)電流探頭，并將電流波形幅值縮小了10倍^[5]。實(shí)驗(yàn)所得電路波形如圖6、圖7及圖8所示。

    超前臂開(kāi)關(guān)管S1及S3的電壓波形和電流波形如圖6及圖8所示。由圖可知，開(kāi)關(guān)管S1及S3均實(shí)現(xiàn)了零電流關(guān)斷，超前臂完全工作于零電流開(kāi)關(guān)狀態(tài)，即實(shí)現(xiàn)了ZCS。滯后臂開(kāi)關(guān)管S2的電壓波形和電流波形如圖7所示。由圖可知，滯后臂也工作于零電流開(kāi)關(guān)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了ZCS。

    為了進(jìn)一步了解本文提出的ZCS軟開(kāi)關(guān)全橋直流變換器的效率性能，將其與使用ZVZCS技術(shù)的全橋直流變換器進(jìn)行效率方面的比較，兩種軟開(kāi)關(guān)全橋直流變換器效率的比較結(jié)果如圖9所示。

    在圖9中，帶圓點(diǎn)的曲線為ZCS軟開(kāi)關(guān)全橋直流變換器的效率曲線，而帶三角的曲線為ZVZCS全橋直流變換器的效率曲線。由圖可知，ZCS軟開(kāi)關(guān)全橋直流變換器在中大功率應(yīng)用場(chǎng)合中的效率明顯優(yōu)于ZVZCS全橋直流變換器^[6]。在3 kW應(yīng)用場(chǎng)合中，ZCS軟開(kāi)關(guān)全橋直流變換器的效率高出ZVZCS全橋直流變換器7%，效率達(dá)到95%，表現(xiàn)出了良好的性能。

3 結(jié)論

    本文提出了一種帶輔助電路的ZCS軟開(kāi)關(guān)全橋直流變換器。ZCS軟開(kāi)關(guān)全橋直流變換器具有兩個(gè)輔助電路，一個(gè)為超前臂輔助電路，另一個(gè)為滯后臂輔助電路。輔助電路實(shí)現(xiàn)了全橋直流變換器超前臂開(kāi)關(guān)管和滯后臂開(kāi)關(guān)管的零電流關(guān)斷，即實(shí)現(xiàn)了ZCS。在理論分析及參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，試制了一臺(tái)功率為3 kW的樣機(jī)。由實(shí)驗(yàn)可知，超前橋臂開(kāi)關(guān)管和滯后橋臂開(kāi)關(guān)管均可在零電流條件下關(guān)斷，具有較小的損耗。針對(duì)變換器的效率問(wèn)題，將ZCS軟開(kāi)關(guān)全橋直流變換器與ZVZCS全橋直流變換器進(jìn)行了比較。由比較結(jié)果可知，ZCS軟開(kāi)關(guān)全橋直流變換器在中大功率應(yīng)用場(chǎng)合中具有較高的效率，表現(xiàn)出良好的性能。

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