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目前在各種電氣設(shè)備中應(yīng)用的各式各樣的開關(guān)電源,大多數(shù)都采用間接式DC/DC 變換電路。它具有隔離性能好,便于提供多路輸出直流電源等優(yōu)點(diǎn)。間接式DCPDC 變換電路通常又分為單端電路和雙端電路。一般小容量的開關(guān)電源多采用單端正激式或單端反激式DC/DC 變換電路,其高頻變壓器鐵芯中的磁通是單方向脈動的。單端間接式直流變換電路所存在的主要缺點(diǎn)是高頻變壓器鐵芯中的磁通只工作在磁化曲線的第1 象限,一方面使鐵芯不能得到充分利用,另一方面總需要解決磁通復(fù)位的問題。相比之下,雙端間接式DC/DC 變換電路比較適用于中大容量的開關(guān)電源,其高頻變壓器鐵芯的工作磁通在磁化曲線的第1、3 象限之間對稱地交變,鐵芯的利用率較高,也不必?fù)?dān)心磁通的復(fù)位問題。而且對應(yīng)于正負(fù)半周都可以向輸出傳遞能量,加之高頻變壓器鐵芯的磁通變化線性范圍寬,有利于減小變壓器的繞組匝數(shù)和鐵芯體積,提高開關(guān)電源的功率密度和工作效率。因此研究開發(fā)完善、可靠的雙正激DC/DC 變換拓?fù)浞桨敢恢睘閲鴥?nèi)外有關(guān)研究和工程技術(shù)人員所關(guān)注。
基于上述考慮,我們在科研實踐中,提出了一種新型雙端正激式DC/DC 變換器的半橋拓?fù)浞桨?特別適合于整流器、逆變器等具有高壓直流環(huán)節(jié)的電力電子系統(tǒng),利用其現(xiàn)成的高壓直流環(huán)節(jié),為系統(tǒng)的控制、驅(qū)動和檢測保護(hù)提供多路直流電源。與以往的雙端正激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比較,其特點(diǎn)是可以有效地避免上下兩橋臂在高頻PWM 開關(guān)過程中易于出現(xiàn)的直通短路問題,使開關(guān)電源的可靠性大為提高,而且其輸入電壓可以很高,輸出直流電源容量大、組數(shù)多,尤其適用于中大功率電力電子系統(tǒng)。目前在國內(nèi)外尚無有關(guān)同類拓?fù)涞奈墨I(xiàn)報道。
鑒于所有半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的雙端正激DC/DC 變換器,在直流輸入電壓高、高頻變壓器變比大的情況下,都存在磁通維持續(xù)流階段的不理想方面,本文提出了一種獨(dú)特的磁通維持續(xù)流控制方法。同時,為了解決開關(guān)電源的自啟動問題,還給出了一種自舉電路控制方案。
新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及工作原理
主電路采用了如圖1 所示的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。圖中變壓器原邊采用半橋式雙正激電路,主電路可直接利用高壓直流環(huán)節(jié)供電。兩原邊繞組L1、L2 上下對稱,極性相反,共用同一鐵芯。這種結(jié)構(gòu)可以有效地避免在高頻PWM 開關(guān)作用下,由于MOS 管關(guān)斷不及時所可能出現(xiàn)的上下橋臂直通現(xiàn)象。
圖中右上回路代表著一系列帶有中間抽頭的副邊繞組及高頻整流濾波環(huán)節(jié)。它對副繞組兩端產(chǎn)生的正2零2負(fù)三電平交變高頻脈沖電壓,通過兩只快恢復(fù)二極管實現(xiàn)全波整流,然后進(jìn)行L-C 濾波或直接電容濾波后穩(wěn)壓輸出。另外,為了穩(wěn)定輸出電壓和提高抗干擾能力,電路中還選擇了其中一組副邊為SG3525 芯片的PWM控制提供反饋電壓。
以下將每個開關(guān)周期分為三個階段來分析整個主電路部分的工作原理。首先要假設(shè)變壓器原邊電流的正方向是流入繞組同名端的。主電路中開關(guān)管M1 、M2 占空比變化范圍是0～50 % ,且輪流導(dǎo)通。
1) 開關(guān)管M1 導(dǎo)通時,電容C1 的正向電壓加在原邊繞組L1 上。在此電壓的激勵下, 根據(jù)u =Ld i/d t , 可推導(dǎo)出
式中U=Ud/2,即輸入側(cè)直流電壓的一半,L 為高頻變壓器的等效勵磁電感。在電路工作達(dá)到穩(wěn)態(tài)后,每周期開關(guān)管M1 剛導(dǎo)通時對應(yīng)的勵磁電流初始值I0 應(yīng)為負(fù)值,并且勵磁電流以斜率UPL (常值) 從負(fù)到正線性增加(這里要注意的是:流經(jīng)L1 的電流是由其勵磁電流和總負(fù)載電流合成的,因而L1 中電流的大小還取決于負(fù)載的輕重) ,同時各副邊繞組兩端感應(yīng)生成正向電壓脈沖。
2) 開關(guān)管M2 導(dǎo)通的情況與M1 類似,由于電容C2 端電壓U = Ud/2 ,相對于L2 的同名端而言為反極性作用,其勵磁電流的初始值I0 為正值,故此期間勵磁電流是以斜率UPL 從正到負(fù)反向線性增加的,因而各副邊繞組兩端生成負(fù)極性電壓脈沖。
3) 當(dāng)M1 、M2 都不導(dǎo)通時,需要主磁通勵磁電流保持在最大值I0 不變,使各繞組磁通維持常值,根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律u = - dψ/d t ,主電路原邊繞組及各副邊繞組的端電壓在此期間內(nèi)均保持為零,從而使變壓器副邊電壓為三電平PWM 脈沖波形,進(jìn)而保證輸出直流電壓具有可控性。
從上面的分析我們不難看出主電路高頻變壓器的勵磁磁勢是依照規(guī)律線性增加(從負(fù)到正) ==維持恒定(在勵磁續(xù)流回路中)==線性減小(從正到負(fù))而變化的,使得主磁通在第1、3 象限內(nèi)對稱交變,滿足雙端正激式控制的要求。
按照本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的上述工作原理,為了實現(xiàn)輸出直流電壓的可控調(diào)節(jié),應(yīng)該做到兩個方面,其一是主電路中開關(guān)管M1 、M2 的PWM 占空比都能在0～50 %范圍內(nèi)連續(xù)變化;其二,在每個開關(guān)周期當(dāng)中,除兩只開關(guān)管按一定的PWM 占空比輪流導(dǎo)通的時間之外,還有一段時間二者均不導(dǎo)通,此期間需要保持勵磁電流不變,使得輸出感應(yīng)電壓為零。此外,為了使高頻變壓器鐵芯的主磁通在第1、3 象限內(nèi)的對稱交變有更寬的變化范圍,從而有利于減少繞組匝數(shù),充分利用鐵芯和減小變壓器體積,應(yīng)設(shè)法使勵磁磁勢在兩開關(guān)管均不導(dǎo)通期間維持在正向或負(fù)向最大值不變。這就要求在L1 和L2 兩原邊繞組均不導(dǎo)通的情況下,由其它副邊繞組提供勵磁續(xù)流磁勢,然而通過計算機(jī)仿真和實驗研究的結(jié)果都表明,在直流側(cè)電壓較高而變壓器原、副邊變比較大的情況下,僅僅依靠類似于L4 所在的副邊整流回路提供勵磁續(xù)流,其波形是很差的,遠(yuǎn)不能達(dá)到理想的三電平PWM控制效果。
正是針對這一問題,本方案專門設(shè)計提出了一種勵磁續(xù)流回路如圖1 中右側(cè)L3 所在的回路所示。回路中MOS 管M7 、M8 均帶有反并聯(lián)二極管。在主電路半橋的上下兩管都不導(dǎo)通的時候,通過同時開通這兩只開關(guān)管,來維持主磁通的勵磁磁勢及勵磁電流的連續(xù)性,由于該回路電阻很小,勵磁電流近似維持不變。
PWM控制信號產(chǎn)生電路
主電路的PWM 控制信號是由SG3525 產(chǎn)生出來的。由于3525 的控制簡單且相關(guān)資料很多,在此我們就不詳細(xì)給出其周邊電路了。SG3525 根據(jù)變壓器副邊反饋的電壓信號Vfd 調(diào)整輸出PWM 控制信號的占空比,如圖2 所示。由于主電路采用雙端正激式結(jié)構(gòu),門極驅(qū)動信號也需要隔離,因此SG3525 輸出端接于變壓器T2 原邊兩端,兩個副邊分別以相反的極性來驅(qū)動開關(guān)管門極。至于勵磁續(xù)流回路中的兩個開關(guān)管的門極控制信號的控制邏輯,可以采用SG3525的兩個輸出信號的“或非”得到,從而保證在OUTA 、OUTB 有一個為高電平時,G3、G4 就都輸出低電平。只有當(dāng)兩個輸出均為低電平時,G3、G4 才為高電平,進(jìn)而驅(qū)動勵磁續(xù)流回路開通。
自舉電路分析
作為實際能夠應(yīng)用的產(chǎn)品,必須要做到能夠自啟動,即自舉。要利用上電時的輸入直流高壓,來得到能夠提供給控制芯片的初始電源,在主電路變壓器真正開始工作后,在某個副邊會產(chǎn)生一定的電壓,再利用此電壓經(jīng)過一定的處理作為工作電壓提供給控制芯片,這樣整個電路就可以正常工作了。
在許多開關(guān)電源的方案中,或者根本沒有提出自啟動的解決方案,或者采用的是直接利用大電阻將主電路直流側(cè)高電壓分壓得到,在整個電源工作時期內(nèi),它都要提供電壓,消耗許多能量,從而使得系統(tǒng)的效率大大降低。本方案提出一種有效的解決辦法,如圖3 所示,在上電初期,初始回路等效電阻較小,一旦工作電壓建立起來,初始回路等效電阻變?yōu)楹艽?而且也不必為控制電路提供電源,因而提高了系統(tǒng)的效率。圖3 中Vd 為主電路輸入側(cè)直流電壓,V 為由某次級線圈提供的輸出直流電壓,R1 阻值很大,R2 相對R1 要小得多。剛上電時,V 為零,開關(guān)S1 斷開。因此MOS 管TR1 導(dǎo)通。經(jīng)過穩(wěn)壓管穩(wěn)壓后給作控制芯片的初始電源。一旦副邊電壓建立起來后,S1 閉合,進(jìn)而拉低TR1 的柵極電壓,使其關(guān)斷。需要注意的是,R2 可以取得很小;同時,支路的電阻R1 由于場效應(yīng)管柵極電流極小的緣故,阻值可以取得很大。這一點(diǎn)避免了傳統(tǒng)的方案中電阻必須較小以提供足夠大的電流的缺點(diǎn),從而提高了工作效率。
仿真及實驗波形分析
仿真波形
基于上面的電路原理分析,有助于理解以下給出的計算機(jī)仿真結(jié)果。
本方案的可行性研究是通過Pspice810 軟件仿真來完成的。它的強(qiáng)大功能很適用于電力電子電路的原理及性能分析。仿真采用Pspice 內(nèi)置的元器件: 主電路的MOS 管采用IRFD150 ,高頻變壓器的模型由電感元件L 和耦合系數(shù)元件K構(gòu)造而成。MOS 管的開關(guān)頻率為40kHz ,仿真時間為10ms。選取暫態(tài)仿真即得到如圖4 所示幾組波形,它可更充分完整地說明前面分析的原理。
以下將分析各波形的產(chǎn)生原理及相互聯(lián)系。鑒于主電路變壓器原邊上下橋臂工作情況類似,只需觀察上橋臂的工作情況就可以較清楚地了解整個電路的工作原理。圖4 (a) 展示的是加在主MOS 管M1門極的PWM控制芯片產(chǎn)生的波形(為了簡化仿真,它只是邏輯電平。門極實際的電平變化請參照本文實際測量波形) ;而加在M2 的門極信號與之類似,只是從時間上交錯開。
圖(c) 是原邊繞組L1 兩端電壓: 當(dāng)主MOS 管M1 導(dǎo)通時,使原邊線圈兩端作用以U = Ud/2 的正向電壓;當(dāng)M2 導(dǎo)通時,由于L1、L2 緊耦合且極性相反,則L1 兩端為負(fù)電壓;當(dāng)M1 、M2 都關(guān)斷時,L1 兩端電壓為零。
圖(b) 是流過繞組L1 的電流波形:從中也不難看出在主開關(guān)管M1 導(dǎo)通時為一條線性增加的直線,由于它還包含了負(fù)載電流成分,因而此直線并不是正負(fù)對稱,而是向上平移了;在M1 關(guān)斷時,L1 不流過電流。圖(d) 所示的是與圖(b) 相關(guān)的勵磁續(xù)流回路的電流波形:在M1 或M2 開通時,勵磁電流由原邊提供,此時該續(xù)流回路電流為零;當(dāng)M1 、M2 都關(guān)斷時,勵磁電流通過續(xù)流回路作用維持恒定的正值或負(fù)值,以維持磁通近似恒定。通過這兩個波形,進(jìn)一步證實了在前面原理分析中對勵磁電流變化規(guī)律的總結(jié)。
圖(e) 是勵磁電流續(xù)流回路的MOS 管M7 的門極信號(M8 的與之相同) 。為了保證該回路能夠在M1 、M2 關(guān)斷時開通,兩門極信號之間采用了“或非”的邏輯關(guān)系。具體的電路結(jié)構(gòu)可參照PWM 控制產(chǎn)生部分。
圖(f) 就是所關(guān)心的變壓器某一副邊繞組的波形:從圖中可看出,它只在M1 導(dǎo)通時才出現(xiàn)正電平或M2 導(dǎo)通時出現(xiàn)負(fù)電平,而在兩管均不通時,電壓為零;也就是說,可以通過改變主電路MOS 管門極信號的占空比來達(dá)到控制輸出電壓的目的。這都是在勵磁續(xù)流回路的作用下才得以實現(xiàn)的,否則在M1 、M2 關(guān)斷期間,副邊也會產(chǎn)生很高的電壓,這便失去了輸出電壓的可控性。
實驗波形
在分析實驗波形之前,應(yīng)該注意的是由于變壓器總會存在一些漏感,因此實際的波形與仿真得到的有一些細(xì)微差別,這是很正常的。
在圖5 (a) 中,上側(cè)波形就是前面提到的主電路上橋臂MOS 管實際的門極信號,它是由SG3525 的OUTA、OUTB 合成的,下橋臂MOS 管門極信號電平與其相反;圖5 (a) 下側(cè)波形是由OUTA、OUTB“或非”得到的勵磁續(xù)流回路MOS 管的門極信號,從圖中可以很好地看到兩者的對應(yīng)關(guān)系。
在圖5(b)中,下側(cè)波形就是其中勵磁續(xù)流回路的MOS 管門極控制電壓信號;上側(cè)波形為變壓器某副邊繞組的電壓波形,可見只有在主電路MOS 管開通時,副邊繞組兩端才有正向或負(fù)向電壓;而當(dāng)M1、M2 均不導(dǎo)通時,繞組兩端電壓為零(由于漏感影響,有一些振蕩) ,依此可以達(dá)到通過改變占空比調(diào)壓的目的。實際波形與仿真波形基本吻合,表明實驗取得了期望的結(jié)果。
結(jié)語
在科研實踐中,提出了一種新型的雙端正激式DC/DC 變換器拓?fù)浞桨?。它除具有鐵芯利用率高,正負(fù)半周均可傳遞能量等優(yōu)點(diǎn)外,還可有效地避免上下橋臂直通短路問題。本文分析了其所構(gòu)成的開關(guān)電源主電路及控制、自啟動等回路的結(jié)構(gòu)原理,同時還提出一種新型勵磁磁勢維持續(xù)流控制方法,有效地解決了其它方案的磁通維持階段波形變差的問題,特別適合于直流輸入電壓高,高頻變壓器變比大的情況,具有較高的實用價值。
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