第４６卷第４期 ２０１２年４月 电力电子技术 Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｖｏ１．４６，Ｎｏ．４ Ａｐｒｉｌ ２０１２ 移相全桥变换器占空比丢失问题的研究 段宣祥，贺明智，张立伟 （北京交通大学，北京 １０００４４） 摘要：在简单分析移相全桥ＰＷＭ（Ｐｓ．ＦＢ．ＰＷＭ）变换器工作过程的基础上，详细叙述了通过合理配置隔直电容 和变压器漏感来补偿占空比丢失的原理与方法，并通过ＰＳＩＭ软件搭建仿真模型，验证了该方法的正确性。最 后根据理论分析结果，设计并制作了一台６０Ｖ／６２５Ａ的实验样机。实验结果表明，该方法可有效减小甚至消除 占空比丢失的现象．从而验证了该方法的可行性。 关键词：变换器；移相全桥；占空比丢失：隔直电容 中图分类号：ＴＭ４６ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００—１００Ｘ（２０１２）０４－００２６－０３ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｔｈｅ Ｌｏｓｓ ｏｆ Ｄｕｔｙ Ｃｙｃｌｅ ｉｎ Ｐｈａｓｅ—ｓｈｉｆｔｅｄ Ｆｌｌｌｌ—ｂｒｉｄｇｅ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ＤＵＡＮ Ｘｕａｎ—ｘｉａｎｇ，ＨＥ Ｍｉｎｇ—ｚｈｉ，ＺＨＡＮＧ Ｌｉ—ｗｅｉ （Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓ ，Ｂｅｌｌｉｎｇ １０００４４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｐｈａｓｅ—ｓｈｉｆｔｅｄ ｆｕｌｌ－ｂｒｉｄｇｅ ＰＷＭ（Ｐｓ－ＦＢ—ＰＷＭ）ｃｏｎｖｅｎｅｒ ｉｓ ｗｉｄｅｌｙ ｕｓｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｌｏｗ—ｖｏｌｔａｇｅ ａｎｄ ｈｉｇｈ－ｃｕｒ・ ｒｅｎｔ ｓｉｔｕａｔｉｏｎ．ｈｅ ｔｏｐｏｌｏｇｙ ａｃｈｉｅｖｅｓＴ ｓｏｆｔ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｔｏ ｒｅｄｕｃｅ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｌｏｓｓ ａｎｄ ｓｔｒｅｓｓ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｌｅａｋａｇｅ ｉｎｄｕｃｔａｎｃｅ ａｎｄ ｊｕｎｃｔｉｏｎ ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ．Ｈｏｗｅｖｅｒ ｔｈｅ ｔｒｎｓｆａｏｒｍｅｒ ｌｅａｋａｇｅ ｉｎｄｕｃｔａｎｃｅ ｄｅｃｒｅａｓｅｓ ｔｈｅ ｒａｔｅ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｉｍａｒｙ ｃｕｒｒｅｎｔ ｃｈａｎｇｅ ａｎｄ ｃａｕｓｅｓ ｔｈｅ ｌｏｓｓ ｏｆ ｄｕｔｙ ｃｙｃｌｅ ｉｎ ｔｈｅ ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｖｏｌｔａｇｅ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｓｉｍｐｌｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ＰＳ—ＦＢ—ＰＷＭ ｃｏｎｖｅ￣一 ｅｒ’ｓ ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ，ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ａｎｄ ｍｅｔｈｏｄ ａｒｅ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ｔｏ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅ ｔｈｅ ｌｏｓｓ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ ｂｌｏｃｋｉｎｇ ｃａｐａｃｉｔｏｒ ａｎｄ ｌｅａｋａｇｅ ｉｎｄｕｃｔａｎｃｅ，ａｎｄ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｉｓ ｂｕｉｌｔ ｂｙ ＰＳＩＭ ｔｏ ｔｅｓｔｉｆｙ ｔｈｅ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ． Ｆｉｎａｌｌｙ ａｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ６０ Ｖ／６２５ Ａ ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎ．Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅ— ｓｕｌｔ ｖｅｌ￣ｅｓ ｔｈｅ ｍｅａｎｓ ｃａｎ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅ ｏｒ ｅｖｅｎ ｅｌｉｍｉｎａｔｅ ｔｈｅ ｌｏｓｓ ｏｆ ｄｕｔｙ ｃｙｃｌｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｔｒａｔｅｇｙ ｉｓ ｆｅａｓｉｂｌｅ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ；ｐｈａｓｅ－ｓｈｉｆｔｅｄ ｆｕｌｌ—ｂｒｉｄｇｅ；ｔｈｅ ｌｏｓｓ ｏｆ ｄｕｔｙ ｃｙｃｌｅ；ｂｌｏｃｋｉｎｇ ｃａｐａｃｉｔｏｒ １ 引 言 在ＤＣ／ＤＣ变换器中．Ｐｓ—ＦＢ—ＰＷＭ变换器广泛 用于低压大电流场合。在采用软开关技术的基础 上。提高系统开关频率可有效减小设备体积、提高 磁芯利用率和功率密度。但ｐＳ．ＦＢ—ＰＷＭ变换器有 ２ ＰＳ－ＦＢ－ＰＷＭ变换器的原理分析 图１示出软开关ＰＳ．ＦＢ—ＰＷＭ变换器的拓扑。 假设隔直电容ｃｂ足够大，电路主要波形见图２ｔ １。 在ｔ２￣ｔ 时间段内，由于变压器漏感 的存在，使 初级电流ｉｐ以 的斜率上升，导致次级占空 明显的不足：①由于变压器初级漏感的存在，在次 级整流二极管换流过程中造成变压器次级短路。 出现占空比丢失现象；②滞后臂依靠变压器初级 漏感的储能来实现ＺＶＳ开通，因此要增大滞后臂 的ＺＶＳ范围，必须串联饱和电感，但另一方面，变 比Ｄ 小于初级占空比Ｄ，出现占空比丢失现象。 ｕｎ Ｑ毽尝砷 ； ＶＬ ～“Ｄｓ ６２ ｃｏ＋Ｉ 州 ｌＶＤ ｃ， ｌＶＤ ＴＶＤ７２ ＶＤ８２ ｕ ｌＶＤ１ ｌＶＤ２ 厂 压器初级串联电感的增加会导致占空比丢失严 图ｌ零电压零电流开关ＰＳ．ＦＢ．ＰＷＭ变换器拓扑结构 Ｆｉｇ．１ ＺＶＺＣＳ ＰＳ—ＦＢ—ＰＷＭ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｔｏｐｏｌｏｇｙ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ 重：③在换流期间。变压器初级存在环流损耗【ｌ１。 鉴于传统移相全桥电路的上述缺点。这里在 详细分析ＰＳ—ＦＢ—ＰＷＭ变换器工作原理的基础上， 通过合理配置隔直电容和变压器漏感来减小甚至 消除占空比丢失现象。 定稿日期：２０１１—０９—１５ ～ ｂｓ ＝；—— ＝鬻 ４Ｃ Ｉ ——— — ＝＝＝＝＝ —— ‘ ～作者简介：段宣祥（１９８８一），男，山西晋中人，硕士，研究方 向为电力电子与电力传动。 图２零电压零电流开关ＰＳ．ＦＢ．ＰＷＭ变换器主要波形 Ｆｉｇ．２ ＺＶＺＣＳ ＰＳ－ＦＢ－ＰＷＭ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｍａｉｎ ｗａｖｅｓ ２６ 移相全桥变换器占空比丢失问题的研究 ３ 占空比丢失影响因素分析 定义次级有效占空比Ｄ ＝Ｄ—ＡＤ，ＡＤ为次级 占空比损失。 ３．１无隔直电容时占空比丢失分析 ＡＤｒ￣＝ 【 一 （卜 ）等Ｊ（１） ～式中：ｎ为变压器的变比，ｎ＝ ，ⅣＤ； 为开关周期； 为输 出端滤波电感；五为流过滤波电感上的电流『３－ 。 ～ ｂｐ —— —— ＝±＝＝＝＝ 一‘‘ ：＝＝ ＿’’ ＝— 由式（１）可见， 越大，开关频率 越高，厶越 图４利用 消除△Ｄ 大，ＡＤ越大。 ３．２增加隔直电容后的占空比丢失分析 虽然变压器的初级绕线电阻对偏磁现象有一 定的抑制作用。但如果正负半周的伏秒数严重不 平衡，则导致变压器磁芯饱和，励磁电流增大，损 坏开关管。为了避免此现象的发生，需要在变压器 的初级串联Ｃｂ。在功率传输阶段，ｌ： 与折算到初 级的滤波电感 （ ｄｔ￣＿ｌｌ，２Ｌ ）和 组成串联谐振电 路。其谐振频率为： ：——。＝ ：：一 （２） ２＂ｔｒＸ／（Ｌａ＇＋Ｌｌｋ）Ｃ￣ 为了保证 线性充电，一般取．ｆ＞０．Ｉｆ．。下面 分析 对ＡＤ的影响，如图３所示。 一 十Ｖ一 一 一盟案 图３ Ｃｂ对ＡＤ的影响 Ｆｉｇ．３ Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ Ｃｂ ｔｏ ＡＤ 萼） 凸 （３） 式中：Ｄ ＝１一Ｄ。 因为 ，故： ｎ 鲁Ｄ ≥） Ｅｌｋ 凸 （４） 补偿占空比为： 。 ＝ 等鸣。） 凸 （５） 由于（ ）Ｄ （ＴＪ４）通常较小，故： ａ。一 器 ㈤ 式中：Ｒｄ＝４ｎ２Ｌ１ｋ ；ｕ凸＝一ｎｌＬＴ．１（４Ｃｂ）。 由于 凸＜０，故 可有效减小占空比丢失。 ４隔直电容补偿占空比损失 图４示出利用ｃｈ消除 的工作波形。 Ｆｉｇ．４ Ｅｌｉｍｉｎａｔｅ ＡＤ ｕｓｉｎｇ 根据伏秒平衡原理与能量守恒原则，可得到 峰值电压‰与变压器初级峰值电流，ｐ为： 设ｔ＜ｔ 时，电路工作状态为：ＶＱ２，ＶＱ３导通， 电容ｃ，， 被充电。ｉｐ＝一，Ｄ。 （１）ｔｌ￣ｔ 阶段ｔ１时刻，令ＶＱ：关断， 释放 磁场储能，使得ｃ４谐振放电到零，ＶＤ 导通，为 ＶＱ 的ＺＶＳ创造条件；ｉ 通过ＶＤ ，ＶＱ３续流，ｃｌ， ｃ２充电到ｕｍ； 凸谐振减小。 厂———— —一 （ ）＝一、／％ｐ２＿ ，ｐ２，，ｐ（ ｔ）：一，ｐ （８） （２）ｔ ～￡，阶段ｔ２时刻，Ｍ凸谐振减小到最小 值， ＝Ｏ，ＶＱ３，ＶＤ４自然关断，实现ＺＣＳ。ｔｚ￣ｔ３时段 内，ｉｐ＞０，通过ＶＤ３，ＶＱ 续流，ＶＱ ＺＶＳ开通。 （ 一孚（器＋ ＼／ ）， ＝０（９） （３）ｔ３￣ｔ４阶段ｔ３时刻，ｉｐ＝ｎｌｏ，无论ＶＱ１，ＶＱ４ 是否导通，初级均开始向次级提供负载电流，进入 功率传输阶段。 厂——— —～—— （￡，）一、／ （ｎ厶） ，，ｐ（ｔ，）＝ （１０） 如果ｔ＜ｔ 触发ＶＱ 导通， 与 凸顺向串联， 提高ｉ。上升速度，有效减小占空比丢失；如果ｔ≥ｆ， 时刻触发ＶＱ。导通，则系统无占空比丢失现象。 ｔ４时刻后。系统进入下半周期，运行模式与上 述相似，经历谐振续流、左右桥臂转换等过程，使 ＶＱ ，ＶＱ３分别实现ＺＶＳ，ＺＣＳ，进入功率传输模式。 在ｔｌ￣ｔ，阶段，忽略ＩＧＢＴ结电容对谐振过程的 影响。初级电流为： ｐ（ ）＝一，ｐｃｏｓａ）ｔ一 ｓｉｎｔａｔ （１１） Ｌｌ 式中：∞＝、／ｉ７ｉ瓦 一。 由上述分析可见．为了完全补偿占空比丢失． ２７ ２第４６卷第４期 ２０１２年４月 电力电子技术 Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｖｏ１．４６。Ｎｏ．４ Ａｐｒｉｌ ２０１２ 应满足：Ｉｐ（ｔ３）＝ｎＩｏ，ｔ３＝（１一ｄ）ＴＪ２。 通过上述求得： ｃ正ｌｋ 旦 （１２） 可见．对于恒频软开关移相全桥变换器而言． 正确配置 ， 可以消除某一特定占空比 下的 占空比丢失现象。考虑开关电源实际运行条件，实 验中取 ＝０．９ ，ｄ眦为最大占空比。 ｄ＞ｄｏ，ｄ ｄ Ｄ，（凡Ｕ ）；ｄ＜ｄｏ，ｄｏ＞ＡＤ 。说明 在系统轻载运行时，出现占空比超前现象。 ５轻载时占空比超前现象 如图５所示，当系统轻载时，ｔｌ－ｔ：时间段内Ｃｂ 与 谐振，通过ＶＤ４，ＶＱ，续流，ｔ２～ｔ 时间段内通 过ＶＤ３，ＶＱ 续流。ｔ３时刻，ｉ。谐振上升达到帆，次 级整流二极管ＶＤ ，ＶＤ 导通，ＶＤ ，ＶＤ。关断，Ｃｂ， 及次级滤波电感Ｌ ／ｎ 构成谐振回路，变压器次 级出现占空比超前现象．提前进入功率传输阶段。 减小系统环流损耗。 ｝。一＿＿｝ ＿＿ ￡二＝Ｌ－— ——＿。一 ｌ 图５系统轻载时占空比超前 Ｆｉｇ．５ Ｄｕｔｙ ｉｎ ａｄｖａｎｃｅ ｗｈｅｎ ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ ｅｍｐｔｙ ｌｏａｄ ６仿真与实验结果 一连 ８ 置蜷，＾。 ｃ暑 采用ＰＳＩＭ软件进行仿真以验证上述结论的 可行性。母线电压Ｕｍ＝５１４Ｖ，ＩＧＢＴ结电容为１０ｎＦ， 变压器变比为１１：２，滤波电感 ＝５ Ｈ，滤波电容 ｃ０＝２ ０００ Ｆ，开关频率Ａ＝２ｏ ｋＨｚ。为了验证隔直 电容ｃｂ对占空比损失的影响，ｃｂ分别取３５ Ｆ， ２２０ Ｆ进行仿真，仿真结果如图６所示。 ≤２ ’ｏ３ ２００ 二： 匿 ： ＞５００ ０ …一 …… … －－ …一一 ５００ ． ． ｔ． ：： ｔ／ｍｓ 图６ ＰＳ．ＦＢ．ＰＷＭ变换器仿真波形 Ｆｉｇ．６ ＰＳ—ＦＢ—ＰＷＭ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｗａｖｅｆｏｒｌ＇ｎ ０ 为了进一步验证上述结论，根据仿真的各项 参数设计并制作了样机。系统以三相不控整流为 输入，以ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７为核心，采用双闭环控 制，额定输出６０ Ｖ／６２５ Ａ，图７示出各开关管驱动 电压和漏源电压及二极管电压的实验波形。 孽 薹 ｆ／（５ ｕｓ，格） 《５ ｕｓ，格） （ａ）超前臂ＶＱｌｚｖｓ波形 （ｂ）超 臂ＶＱ３ＺＶＳ波形 爹 、＾＾■■●一 ●－ －’ ＾＾●■＿—■ 、毫 ：／４ｃｅ １ Ｚ４ｃｅ４｛ ：： 臻 曼 ㈡Ｊ ｆ ≥ ，０ ０ ＾ ＝；｜ 罩 耄 ‘１ “ｇｊ＇／Ｉ一 １－ 【 ． ｒ ：７ １ ‘－‘， 晕 ＇，－－一． ：Ｊｐ ： ，／（１０ ｕｓ／格） （ｃ）滞后臂ＶＱ２ＺＣＳ波形 （ｄ）滞后臂ＶＱ４ＺＣＳ波形 ｔｌ（５ ｕｓ／格） （ｅ）轻载时ｔｈ－空比超｝ｊ｛『 图７实验结果 Ｆｉｇ．７ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ７ 结 论 在分析移相全桥变换器工作原理的基础上。 深入研究占空比丢失原因，并通过合理配置隔直 电容来进行补偿。仿真和实验均表明，该方法能有 效减小占空比损失。扩大系统实现软开关的负载 范围．减小开关损耗与环流损耗，提高系统效率。 参考文献 ［１】沈燕群，姚刚，何湘宁．带隔直电容的移相全桥ＤＣ／ Ｄｃ变换器特性分析【Ｊ】．电力电子技术，２００１，３９（３）： １１—１３． 【２］张占松，蔡宣三．开关电源的原理与设计（修订版）【Ｍ】． 北京：电子工业出版社，２００５． ［３】Ｊ Ａ Ｓａｂａｔｅ，Ｖ Ｖｌａｔｋｏｖｉｅ，Ｒ Ｂ Ｒｉｄｌｅｙ，ｅｔ ａ１．Ｄｅｓｉｇｎ Ｃｏｎ— ｓｉｄｅｒａｔｉｏｎｓ ｆｏｒ Ｈｉｇｈ－ｖｏｌｔａｇｅ Ｈｉｇｈ—ｐｏｗｅｒ Ｆｕｌｌ—ｂｒｉｄｇｅ Ｚｅｒｏ— ｖｏｌｔａｇｅ－ｓｗｉｔｃｈｅｄ ＰＷＭ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ［Ａ］．ＩＥＥＥ ＡＰＥＣ［Ｃ］．１９９０： ２７５－２８４． 【４】Ｖｌａｔｋｏｖｉｃ Ｖ，Ｓａｂａｔｅ Ｊ Ａ，Ｒｉｄｌｅｙ Ｒ Ｂ，ｅｔ ａ１．Ｓｍａｌｌ－ｓｉｇｎａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｐｈａｓｅ－ｓｈｉｆｔｅｄ ＰＷＭ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ【Ｊ】．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．ｏｎ Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，１９９２，７（１）：１２８－１３５．
