1 引言
目前,开关电源正朝着高频、高效、环保等方向发展。与传统拓扑结构相比,三电平变换器由于具有开关管电压应力为输入直流电压的一半,适合输入电压较高的场合,输出电压谐波小等优点,从而备受关注。此外,伴随着高频化发展,出现了软开关技术,并结合三电平产生了不同拓扑的DC/DC变换器。传统ZVS半桥三电平DC/DC变换器轻载时滞后管难以实现ZVS,且开通损耗严重。ZVZCS变换器消除了ZVS三电平变换器零状态时变压器初级环流,减小了初级通态损耗,同时改善了占空比丢失问题,近年来得到了广泛研究。
这里提出一种新型ZVZCS半桥三电平DC/DC变换器,其次级采用了一个简单的无源筘位网络,通过这个无源箝位网络实现了超前桥臂在一定负载范围内的ZVS和滞后桥臂的ZCS。
2 主电路工作原理
图1为新型半桥三电平DC/DC变换器拓扑。
由图1可见,次级采用的无源箝位网络主要由箝位电容CA和二极管VDA1,VDA2,VDA3构成。变压器次级中心抽头通过VDA1连接到CA,将次级电压箝位在一个较低的水平。Cs1,Cs2为等值的输入分压电容,VDc1,VDc2为箝位二极管,Css为飞跨电容,Llk为变压器漏感,n为变比,VDR1~VDR4为整流二极管,Lf,Cf分别为滤波电感、电容,Uin,Uo为输入、输出直流电压。采用移相PWM控制策略,工作波形如图2所示。
为简化分析,作如下假设:电路各器件均为理想元件;Lf足够大,其电流不变;将Cf看作恒压源。变换器在半个稳态开关周期内有9个工作模态,分析如下:
新周期开始前超前管VS1导通,负载电流通过整流二极管续流,a,b间电压、次级电压、初级电流分别为uab,urec,ip,此时uab=urec= 0,ip=0.
模态1(t1~t2) t1时刻,滞后管VS2导通,新周期开始。由于ip=0,VS2此时ZCS开通。uab=Uin/2,ip线性增加。由于ip仍小于负载电流Io折算到初级的值Io/n,VDR1~VDR4全部导通,urec为零,说明该模态中次级存在占空比丢失现象。
模态2(t2~t3) t2时刻,ip达到Io/n,VDR1,VDR4关断,初级开始向负载传递能量。由于CA上电压为零,VDR1,VDR4为ZVS关断。同时VDA1导通,输入部分能量通过Ilk,VDA1向CA充电。记Uins(m2)为此模态中初级折算到次级的等效电压,Llk(m2)为折算到次级的等效漏感,则CA的电流iCA电压uCA,ip及urec分别为:
由于CA通过变压器次级中心抽头充电,urec=2uCA.t3时刻,uCA=Uo,VDA3导通,urec被箝位为2Uo.记UrecP为次级电压峰值,则UrecP= 2Uo.
模态3(t3~t4)记uCA电压峰值为UCAM,UCAM=Uo保持不变,Llk中的谐振电流经过VDA3流向Cf,iCA迅速减小为零,urec保持2Uo不变。t4时刻Llk电流谐振到零,VDA1,VDA3 ZCS关断。
模态4(t4~t5) uCA仍保持UCAM不变,由于该模态下urec》Uo,VDA2不会导通,有ip(t)=Io/n,urec(t)=Uin/(2n)。
模态5(t5~t6) t5时刻,VS1 ZVS关断,记电容C1,C4电压分别为uC1,uC4,则UC1(t5)=0,UC4(t5)=Uin/2,ip向C1充电,C4放电,次级电压和整流二极管电压迅速减小,则有:
模态6(t6~t7)随着urec的减小,整流二极管两端电压迅速下降,在t6时刻被箝位为UCAM,此时VDA2 ZVS导通,CA开始放电,ip下降。则有:
模态7(t7~t8)t7时刻,C1充电结束,C4放电结束,UC1(t7)=Uin/2,UC4(t7)=0,VDc1开通,将VS1的电压箝位在Uin/2,uab减小至零,ip迅速复位,CA继续向负载放电。有:
模态8(t8~t9) t8时刻,ip完全复位,VDR2和VDR3关断。负载电流由CA提供,uCA逐渐减小到零,整流二极管上的电压也逐渐减小。有:
模态9(t9~t10) t9时刻,CA放电结束,VDA2关断(ZVZCS),Lf,Cf开始提供负载电流,VDR1~VDR4全部开通,负载电流通过整流二极管续流。
责任编:lq6
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