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移相全橋ZVS PWM直流變換器元件參數設計

電路組成和工作原理
移相全橋型零電壓開關(PS FB ZVS)PWM DC/DC變換器是較早出現的一種全橋軟開關變換器,它是利用功率開關管的寄生電容或外接電容和變壓器的漏感或一次側串聯電感作為諧振元件,而使四個開關管實現零電壓開通和零電壓關斷(也稱準零電壓關斷),其電路和主要工作波形分別如下圖所示。文章來源:http://www.anonymousjuice.com/bl/392.html
PS FB ZVS PWM DC/DC變換器電路
PS FB ZVS PWM DC/DC變換器電路
PS FB ZVS PWM DC/DC變換器的主要工作波形
PS FB ZVS PWM DC/DC變換器的主要工作波形
主要元件參數的選擇原則
    (1) 隔直電容cL的選取
由前述知北京赛车-首页_Welcome,全橋變換器中變壓器兩端承受的是正負電壓北京赛车-首页_Welcome,變壓器磁心工作在一、三象限。但因開關管的不一致性以及驅動電路的分散性,容易使高頻變壓器一次側的正負脈沖電壓不對稱,產生直流偏磁北京赛车-首页_Welcome北京赛车-首页_Welcome,若不采取措施加以抑制,長時間工作,變壓器磁心會飽和,使開關管損壞。為防止變壓器正、負脈沖伏秒面積不平衡,常在變壓器一次側串聯一無極性的薄膜電容,隔離引起變壓器直流偏磁的直流電壓北京赛车-首页_Welcome,從而達到抑制直流偏磁的目的。
為了減小隔直電容的損耗北京赛车-首页_Welcome,提高變換器的效率,隔直電容值不能太小,一般要求隔直電容電壓峰值VCbp=10%Vi;同時北京赛车-首页_Welcome,為了減小體積,節約成本,隔直電容值不能太大,因此需綜合考慮選擇Cb。
隔直電容的選擇應滿足:

    (2)開關管并聯電容的選擇
為了保證開關管實現ZVS,并聯電容充北京赛车-首页_Welcome北京赛车-首页_Welcome、放電時間必須大于2tf(df為功率IGBT關斷時間),同時,死區時間必須大于電容的充北京赛车-首页_Welcome、放電時間,即

超前橋營和滯后橋臂并聯電容的選擇分別應滿足:

    (3)一次側串聯諧振電感的設計
諧振電感的選取應保證其上存儲的能量能滿足開關管ZVS的條件。
    1)超前橋臂實現ZVS的能量條件:在VT1和VT2開、關過程中北京赛车-首页_Welcome,諧振電感由輸出濾波電感Lf的一次側折算值n^2Lf和一次電感Llk串聯構成。一般來說,n^2Lf值很大北京赛车-首页_Welcome,電感儲能很容易使電容C1、C2完成充放電狀態轉換。由前述知北京赛车-首页_Welcome北京赛车-首页_Welcome,超前臂開關管(VT1或VT2)關斷時,一次電流ip在正、負方向達到其最大值Ip北京赛车-首页_Welcome。同時,考慮到變壓器一次繞組電容,還要一部分能量來抽走變壓器一次繞組寄生電容CTR上的電荷。
    2)滯后橋臂實現ZVS的能量條件:在VT3和VT4開、關過程中北京赛车-首页_Welcome,二次側整流二極管向時導通,變壓器二次繞組兩端電壓為零北京赛车-首页_Welcome,一次側電感僅為諧振電感Llk。諧振時,Llk釋放儲能,使VT3、VT4并聯電容完成充放電狀態轉換。當其一并聯電容電壓諧振下降到零時北京赛车-首页_Welcome,相應的開關管實現ZVS。由式當Cb<Cb(crit)時,一次電流較小,Llk儲能較小,因此北京赛车-首页_Welcome,滯后橋臂ZVS條件需按較小的電流來考慮北京赛车-首页_Welcome。
附加諧振電感的目的就是為了實現滯后臂開關管的ZVS,如前面的分析,滯后臂諧振時次級電感不能通過變壓器反射到初級,為了保證滯后臂的開關管ZVS北京赛车-首页_Welcome,那么諧振電感的能量必須滿足下式:
                       LrI2p/2=( V2in*C上管)/2+( V2in*C下管)/2=V2in*Clag
    即               Lr= 2* V2in*Clag /I2p
    其中       L:諧振電感值
                   Vin:輸入電壓  
                   Clag:滯后橋臂電容(外加電容與MOSFET結電容)
                   Ip:滯后橋臂關斷時刻原邊電流大小
 
計算還要考慮以下幾點因素:
     ①、Vin應取最高輸入電壓值,保證任意輸入電壓下,滯后橋臂均能實現ZVS。
     ②北京赛车-首页_Welcome、考慮在輕載Ipl(10%-20%負載)時刻,需要滯后橋臂仍然需要工作在ZVS狀態。
     ③、輸出電流iLf在某個值(比如2A)時刻北京赛车-首页_Welcome,輸出儲能電感電流任然連續或處在臨界點北京赛车-首页_Welcome北京赛车-首页_Welcome。
     也就是說北京赛车-首页_Welcome,輸出儲能電感的脈動電流等于2倍此值
      即                △ iLf = 2 *2A=4A
      那么             Ip=(Ipl+ △ iLf /2)/n
(4)輸出儲能電感設計:
    移相全橋的輸出儲能電感其實可以看做一個單純的BUCK電感,由于其正負半周期各工作一次,所以其工作頻率等于2倍開關頻率,其計算公式為:
                       Lf = Vo *(1-Dmin)/(4*fs* △I)
    上式中的Lf是最小電感北京赛车-首页_Welcome,實際取值要大于此值,以保證電流的連續性,如果需要輸出電壓在一定范圍內連續可調的話,則Vo要取Vo(min),即
                        Lf = Vo(min) *(1-Dmin)/(4*fs* △I)
     上式Dmin是為了便于理解,實際上移相全橋占空比是不變的,不存在最小占空比的說法:即
                         Dmin= Vo(min)/(Vin(max)/n-VLf-VD)
(5)主變壓器設計:
    首先計算出移相全橋的次級輸出最低電壓:
                       Vsec(min)=( Vo(max)+VLf+VD)/ Dsec(max)
    初次級的變壓器匝比為:
                        n=Vin(min) /Vsec(min)
    選擇變壓器,使用Ap法:
                        Ap =Ae*Aw= Po*104 /(4*ƞ*fs*△B*J*Ku*)
     接下來計算變壓器原邊匝數:
                         Np= Vin(min)*D(max)/(4*fs*Ae*Bmax)
     那么次級繞組匝數為:
                         Ns= Np/n

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