采用变压器次级辅助绕组的软开关PWM三电平变换器 摘要:提出一种新型的ZVZCSPWM三电平直流变换器,在变压器的次级侧附加一个辅助绕组,整流得到的辅助电压,为滞后管创造零电流条件,较好地解决了滞后管轻载下软开关难的问题。新的主电路拓扑减小了高压下功率器件的电压应力。分析了各时段的工作原理,并提供了设计参考和实验结果。 关键词:三电平变换器;零压开关;零流开关;移相脉宽调制
1 引言 随着科技的发展,谐波污染问题越来越引起人们的关注,有源功率因数校正(APFC,Active Power Factor Correction)技术是解决谐波污染的有效手段。而三相功率因数校正变换器的前级输出直流电压一般为760~800V,有时甚至高达1000V,这就要求提高后级变换器开关管的电压定额,但是,很难选择到合适的开关管[1]。另外,高频化也是变换器发展的方向,但是随着开关频率的提高,开关损耗也成比例地增加。本文提出了一种新颖的ZVZCSPWM三电平变换器,使开关管承受的电压应力为输入直流电压的一半,并使开关损耗减小,从而较好地解决了上述两个问题,克服了文献[2]-[3]中所提出的ZVZCS三电平变换器的部分缺点,其主电路如图1所示。它采用移相控制,其中C1和C2是分压电容,其容量相等,并且很大,均分输入电压Vin,即VC1=VC2=Vs=Vin/2。Lk是变压器初级漏感,D5,D6是箝位二极管,S1和S4是超前管,C3和C4分别是S1和S4的并联电容,S2和S3是滞后管。Css为联接电容,分别将两只超前管和两只滞后管的开关过程连接起来。Ch是维持电容,它使初级电流复位,从而实现滞后管的ZCS,并防止初级电流ip反向流动。Lf是输出滤波电感,Cf是输出滤波电容,R为负载。
图1 主电路拓扑 2 工作原理及软开关效果 ZVZCSPWMTL直流变换器有9个工作模式,对应的工作波形如图2所示。
图2 工作波形图 在分析工作模式前作如下假设: 1)所有开关管、二极管均为理想器件; 2)所有电感、电容均为理想元件; 3)电容Css足够大,稳态工作时,Css的电压恒定为Vin/2; 4)输出滤波电感Lf足够大,其电流为输出电流Io,可以认为是一个恒流源; 5)C3=C4=Cr。 2.1 工作原理[4][5] 模式1(t0~t1) t0以前S1已开通,t0时刻S2导通,此时vab=Vs=Vin/2。由于Lk的存在,ip不能突变,所以S2是零电流开通。ip逐渐增加,但还不足以提供负载电流,D7与D8依然同时导通,变压器次级绕组被钳位在零电压,变压器辅助绕组上的电压也为零。初级电流如式(1)线性增加 ip=t (1) 模式2(t1~t2) 在t1时刻,ip=nIo(n=N2/N1),初级开始为负载提供能量。辅助电路中的D9导通,维持电容电压vCh开始充电上升。维持电容的电压和充电电流由式(2),式(3)给出 vCh(t)=naVs[1-cos(ωat)] (2) ich(t)=-sin(ωat) (3) 式中:Za=为谐振电路的特征阻抗; ωa=为谐振频率; na=N3/N1为变压器辅助绕组与初级绕组的匝比,它小于变压器次级与初级匝比n=N2/N1的一半(忽略漏感和次级整流二极管的结电容间的寄生影响,以简化工作过程的分析)。 模式3(t2~t3) t2时刻,Lk与Ch完成了半个谐振周期,VCh=2naVs,电容Ch试图通过Dh放电,然而VCh<Vrec,所以Dh反偏。维持电容Ch保持电压不变,输出功率由主绕组承担。 模式4(t3~t4) t3时刻S1关断,ip给C3充电,C3上电压逐渐上升,所以S1是零电压关断。同时C4放电,此时Lk和输出滤波电感Lf相串联,Lf一般很大,ip近似不变,类似于一个恒流源,C3电压线性上升,C4电压线性下降。 vC3(t)= (4) vC4(t)=Vs- (5) 初级电压vab=vC4,次级整流电压与初级电压下降的斜率相同。 模式5(t4~t5) t4时刻次级整流电压下降到维持电容电压VCh,此时二极管Dh导通,整流电压随着维持电容电压变化(设Ch比C3,C4大得多),Ch开始为负载提供部分电流。因为漏感储能仍使C3充电C4放电,初级电压几乎按与先前同样的斜率下降,这意味着次级整流电压比初级电压下降得慢。初级电压与次级反射电压之差加在漏感上,初级电流ip开始下降。折算到初级的简化等效电路如图3(a)所示,初级电流和电压以及次级电压为 ip(t)=nIocos(ωbt)+nIo (6) vab(t)=sin(ωbt)- (7)
(a)模式5 (b)模式6 (c)模式7 图3 简化等效电路图 Vrec(t)=-sin(ωbt)+t+2naVs (8) 式中:ωb=; Ceq=C3+C4。 模式6(t5~t6) t5时刻,C3的电压上升到Vs,C4的电压下降到零,vab=0,此时D4自然导通。D4导通后,C4的电压被箝在0,因此可零电压开通S4,S4与S1驱动信号之间的死区时间应大于(t5-t3)。次级电压折算到初级后都加在漏感上,初级电流迅速下降。折算到初级的简化等效电路如图3(b)所示。初级电流和次级电压为 ip(t)=Iacos(ωct)-sin(ωct)+Ia (9) vrec(t)=nIaZcsin(ωct)+Vacos(ωct) (10) 式中:Zc=; ωc=; ip(t5)=Ia; vrec(t5)=Va。 模式7(t6~t7) t6时刻初级电流完全复位,整流电压vrec(t6)=Vβ。然后整流二极管D7关断,Ch提供全部负载电流,整流电压迅速下降,简化等效电路如图3(c)所示。此模式下的整流电压按式(11)线性下降。 vrec(t)=Vβ-t (11) 模式8(t7~t8) t7时刻Ch放电完毕,然后整流二极管D7,D8同时导通,均分负载电流。 模式9(t8~t9) t8时刻关断S2,此时ip=0,因此S2是零电流关断,以后是S2与S3的死区时间。t9时刻开通S3,由于Lk的存在,ip不能突变,所以S3是零电流开通,电路工作进入另半个周期,其工作情况类似于前面的描述。从以上工作模式分析可以看出,这种变换器可以获得很好的ZVZCS软开关效果,并减小了占空比丢失。 2.2 ZVZCS软开关效果 2.2.1 超前管的ZVS范围 超前管并联的电容首先利用输出滤波电感的能量充电/放电(模式4),然后通过漏感储能充电/放电(模式5),因此易于实现ZVS,但在负载很轻时,超前管的ZVS会受到限制。在模式4最后时刻的初级电压等于维持电容电压折算到初级的峰值,初级电流ip=Ion,从能量关系来看,若要实现ZVS,则漏感储能要大于或等于维持电容储能,即 Lk(Ion)2(C3+C4) Io?(12) 式(12)决定了超前管的ZVS范围,从式中可以看出,超前管的ZVS是由变压器匝比,开关管并联电容,变压器漏感和输入电压共同决定的,当电路中的条件满足式(12)时,在任意负载条件下,超前管都可以实现ZVS。 2.2.2 滞后管的ZCS范围 从前面的工作原理分析可知,初级电流由维持电容电压来复位。在轻负载下,维持电容不能完全放电,所以充电少,负载越轻,维护电容峰值电压越低。然而复位电流也随负载电流的减小而减小,滞后管的ZCS也能通过很低的维持电容电压获得,因此,滞后管的ZCS变化范围足够宽。 3 实验结果 一个2.7kW的变换器验证了这些特性。输入为三相50Hz/380V,输出为直流27V/100A,变换器工作频率为20kHz。超微晶ONL-805020,N1=30,N2=5,N3=2,Lk=5μH,Ch=20μF,功率模块为2MBI50L-120X2。图4-图9为试验得到的波形。实验表明,该变换器可以在较轻负载下实现了软开关。 图4 S1集 电 极 电 压 与 驱 动 波 形 Vin=600 V 10μs/div 图5 S1与S2集 电 极 电 压 波 形 Vin=600 V 10μs/div 图6 变压器初级电流波形 10μs/div 10A/div
图7 S1零压开通波形1:vcel(50V/div) 2:icl(10A/div) 1μs/div 图8 S1零压关断波形1:vcel(50V/div) 2:icl(10A/div) 1μs/div 图9 S2零流关断波形1:vce2(50V/div) 2:ic2(10A/div) 1μs/div 4 结语 本文提出了一种ZVZCSPWM三电平变换器,分析了它的工作原理及设计应考虑的因素。并进行了电路实验。开关管承受的电压应力为输入直流电压的一半,因此,该变换器适用于输入电压 较高的场合。采用变压器辅助线圈和简单的辅助电路获得ZVZCS,大大地降低了开关损耗使变换器可以工作在较高的开关频率。这种变换器优点明显,如可以在较宽的负载范围内实现软开关,占空比损失小,成本低等。 |
采用变压器次级辅助绕组的软开关PWM三电平变换器
- 变换器(108177)
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2018-11-21 16:28:19
正激式变压器开关电源
的同时,流过反馈线圈N3绕组中的电流也在对变压器铁心进行退磁。 图1-18是图1-17中正激式变压器开关电源中几个关键点的电压、电流波形图。图1-18-a)是变压器次级线圈N2绕组整流输出电压波形,图
2018-10-11 16:39:20
求一种基于升压ZVT-PWM的软开关变换器驱动电路设计
本文以升压ZVT-PWM变换器为例,用集成芯片MC34152和CMOS逻辑器件设计了一种可满足以上要求的软开关变换器驱动电路。
2021-04-21 06:03:59
电力变压器: 变压器的定义和类型
比大于2的场合。采用高低压比小于2的自耦变压器是经济有效的。同样,单台三相变压器比三相系统中的三台单相变压器更具成本效益。但是单个三相变压器单元运输有点困难,如果其中一个相绕组发生故障,必须完全停止
2022-05-07 11:35:42
电池驱动系统的DC-DC变换器选择
较小,高频功率变压器的利用率高等优点。而且全桥DC-DC变换器适合做软开关管控制,减小变换器中的开关管损耗提高转化效率。 三相全桥DC-DC变换器结构,三相的结构将电流、损耗均分到每相中,适合大功率
2023-03-03 11:32:05
直流变换器中的微型变压器
直流变换器中的微型变压器把微型变压器D用在工作在2MHz的全桥式直流变换器中。图6绘出测量和计算得输入电流(Iin)与输出功率(Pout)同输入电压(Vin)的关系曲线。当Vin=4.5V时得到最大
2011-07-09 16:15:26
直流变换器用微型变压器的电气性能
,多数都采用电沉积技术。有人已证明了用薄膜磁性元件与其他功率变换用元件集成的可行性。已制成了与肖特基二极管集成的薄膜变压器。有人把薄膜电感器集成到集成功率开关和控制电路系统上,制成一种1W直流变换器,但
2011-04-14 09:56:01
绝缘型正负电压DCDC变换器相关资料下载
,变压器T1的次级绕制有匝数相同的两个绕组。同为28匝。每个绕组的输出电压经半波整流电路和+15V/100mA的三端稳压器后。分别输出+15V的输出电压。将上面+15V电源的地与下面+15V电源的正端
2021-05-12 07:21:55
设计反激变换器步骤 Step6:确定各路输出的匝数
,由变压器漏感LLK 与MOS 管的输出电容造成的谐振尖峰加在MOS 管的漏极,如果不加以限制,MOS 管的寿命将会大打折扣。因此需要采取措施,把这个尖峰吸收掉。反激变换器设计中,常用图 9(a)所示
2020-07-21 07:38:38
资料分享:LLC 谐振变换器的研究
小、开关应力小等优点。LLC 谐振变换器具有原边开关管易实现全负载范围内的 ZVS,次级二极管易实现 ZCS,谐振电感和变压器易实现磁性元件的集成,以及输入电压范围宽等优点,得到了广泛的关注。 LLC谐振
2019-09-28 20:36:43
输出反灌电流零电压软开关反激变换器
通后,再开通,才能现零电压软开关ZVS工作,这也是所有零电压ZVS软开关工作的特性。(3)由于变压器的匝比关系,以及次级绕组电感较小,实现主功率MOSFET管零电压软开关ZVS工作的输出反灌电流的大小
2021-05-21 06:00:00
通过变压器设计和构造进行EMI屏蔽和消除技术
设计和构造来最小化 CM EMI 的技术。图1 由于初级-次级绕组间电容上的开关电压波形,CM 电流从初级流向次级图 1显示了在初级和次级变压器绕组之间流动的 CM 电流 ICM,这是由施加在绕组间电容上
2021-10-12 07:00:00
高频变压器磁芯形状对变压器的工作有何影响?
高频变压器是变换交流电压、电流和阻抗的器件,当初级线圈中通有交流电流时,铁芯(或磁芯)中便产生交流磁通,使次级线圈中感应出电压(或电流)。变压器由铁芯(或磁芯)和线圈组成,线圈有两个或两个以上的绕组
2021-03-11 06:17:20
高频变压器算法
如图所示,根据这高频变压器的匝数,如何计算出次级线圈输出的电压和辅助绕组输出的电压?我输入的是220V的交流电,经过了整流滤波后,电压应该有220*根号2=308V左右,然后怎么算哪个匝数比?求指教!
2014-04-10 08:13:36
高频变压器设计的一些问题
薄膜,成本增加,是不是因为H级绝缘的高频电源变压器优化的设计方案,可以使体积减少1/2~1/3的缘故?本来体积就比较小的高频100kHz10VA高频电源变压器,如次级绕组采用三重绝缘线,能把体积减小1
2018-08-02 13:24:34
高频电源变压器的设计原则
薄膜,成本增加,是不是因为H级绝缘的高频电源变压器优化的设计方案,可以使体积减少1/2~1/3的缘故?本来体积就比较小的高频100kHz10VA高频电源变压器,如次级绕组采用三重绝缘线,能把体积减小1
2021-07-01 07:00:00
正激变换器中变压器的设计
详细介绍了高频开关电源中正激变换器变压器的设计方法。按照设计方法,设计出一台高频开关电源变压器,用于输入为48V(36~72V),输出为2.2V、20A的正激变换器。设计出的变压器在
2009-07-04 09:50:3769
一种带辅助变压器的Flyback变换器ZVS软开关实现方案
提出了一种新颖的FLYBACK变换器ZVS软开关实现方案。一个较小的辅助变压器与主变压器串联,通过使辅助变压器原边激磁电感电流双向来达到主开关管的ZVS软开关条件。该方案实现
2009-10-17 13:34:3541
正激变换器中变压器的设计
详细介绍了高频开关电源中正激变换器变压器的设计方法。按照设计方法,设计出一台高频开关电源变压器,用于输入为48V(36~72V),输出为2.2V、
2009-10-31 09:00:1934
单端反激式变换器变压器工作状态分析
单端反激式变换器变压器工作状态分析摘要 本文对单端反激式功率变换器变压器的工作状态进行了详尽的分析,指出了变压器工作方式对变换器性能的影响,解释了气
2009-11-17 11:57:2341
PWM变换器中输出变压器偏磁的抑制
PWM变换器中输出变压器偏磁的抑制
摘要:分析了PWM开关型变换器中,变压器直流偏磁问题产生的原因。给出了一种解决直流偏磁较为实用的拓扑电路,并分析了它的
2009-07-04 11:01:02795
一种带辅助变压器的Flyback变换器ZVS软开关实现方案
一种带辅助变压器的Flyback变换器ZVS软开关实现方案
摘要:提出了一种新颖的FLYBACK变换器ZVS软开关实现方案。一个较小的辅助变压器与主变压器串联,通过使辅助变压
2009-07-04 11:10:551028
对称PWM控制ZCS半桥变换器原理图
对称PWM控制ZCS半桥变换器在传统不对称半桥电路变压器的副边增加了一条由辅助开关管、谐振电容和谐振电感串联构成的辅助支路。
2012-02-23 10:45:494479
中点箝位三电平双PWM变换器电路
在中点箝位三电平双PWM变换器控制中.三电平PWM整流器采用固定开关频率直接功率控制策略u 3DPCSVM(Direct Power Control with SVPWM).该策略外环为直流侧电压环.内环为有功功率和无功功率控
2012-03-29 11:33:331654
移相控制零电压零电流开关PWM推挽三电平直流变换器
移相控制零电压零电流开关PWM推挽三电平直流变换器(通讯电源技术是省刊吗)- 移相控制零电压零电流开关PWM推挽三电平直流变换器
2021-08-04 19:50:0610
正激变压器在开关管导通和关断时次级绕组都有输出还用磁复位吗?
正激变压器在开关管导通和关断时次级绕组都有输出还用磁复位吗? 正激变压器是一种常见的直流-直流变换器,可以将高电压、低电流的直流电源转换为低电压、高电流的直流电源。在正激变压器的工作中,开关
2023-10-18 15:28:30541
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