一种新型ZCS全桥升压变换器及其稳态分析
2008-11-11
作者：戈田一，师宇杰
摘 要： 提出了一种新型的升压变换器" title="变换器">变换器拓扑——电流型ZCS全桥" title="全桥">全桥倍压变换器。对该变换器的稳态工作过程进行了分析和推导，给出了该变换器的输出特性，并用PSPICE软件对其进行了仿真，给出了仿真结果。
关键词： ZCS；倍压；全桥；高压变换器
目前高压电源被广泛用于工业设备中，如医用X光设备、污水处理、雷达发射器、行波管等领域。由于输出电压很高，并且有些电源有体积要求，因此就出现了变压器设计、电源效率、电源体积等一系列难题。2005年，R.Y.Chen与K.C.Tseng提出了一种称之为电流型全桥高压变换器的电路拓扑[1]。该电路利用变压器寄生电容和漏感产生谐振实现了开关管" title="开关管">开关管的零流开通和关断" title="关断">关断，大大提高了功率密度。但通过对该电路的仿真分析，发现该电路存在不足之处：(1)开关管电压应力大；(2)变压器分布参数不好控制；(3)变换器自身升压倍数不够高，在较高输出电压情况下，变压器的升压倍数过大，这将增大变压器的设计难度。
通过研究，笔者对该电路作了一些改进,提出了电流型ZCS全桥倍压变换器。改进后的电路不仅继承了原电路的优点，而且有效地弥补了原电路的不足，并减小了变压器的升压比，降低了变换器的设计难度，进而更有利于实现电源的小型化。
1 稳态工作过程分析
1.1 电路拓扑介绍
图1给出了该变换器的电路拓扑。Lin为输入电感，并联一个箝位电路，S1、S2、S3、S4为主开关管，Ds1、Ds2、Ds3、Ds4为开关管的体二极管，Lr、Cr是外加谐振元件，变压器漏感为Ld、分布电容为Cp。为方便讨论，输出采用二倍压整流电路。原电路没有外加谐振元件Lr和Cr，靠调整变压器分布参数Ld和Cp来实现零流开关。由于变压器分布参数难以控制，使变换器实现难度很大。
1.2 稳态工作过程分析
由于电路存在对称性，在一个开关周期内电路上、下半周期工作过程相同，因此只需分析半个周期即可。半个周期内有5个工作状态。图2给出了工作波形图，图3给出了各个工作状态的电流走向。
设电容电压和电感电流的参考方向如图1所示。为了简化分析，假设：
(1)开关管S1、S2、S3、S4及二极管均为理想器件。
(2)C1、C2足够大，一个周期内，其两端电压保持不变，Vc1=Vc2=Vc，可视为恒压源。
(3)输入电感Lin足够大，一个周期内，其电流保持不变，可视为恒流源。
(4)箝位电路用一个电压源VCL等效。
t0时刻以前，S2、S4处于导通状态，D1、D2处于关断状态。由于变压器分布电容Cp远小于谐振电容Cr，变压器的激磁电流也很小，因此，iLd可忽略不计，输入电流Iin给Cr线性充电。电流走向图如图3(a)所示。
在t0时刻，
，iLd(t0)=0，iCt0)=iC(t0)=-Iin。
(1)开关模态1(t0～t1)
t0时刻以后，
，副边二极管D2承受正电压而导通，寄生电容uCr被输出电压箝位至
，电流走向图如图3(b)所示，等效电路" title="等效电路">等效电路如图4所示。其微分方程为：
初始条件：
解得：
(2)开关模态2（t1-t2）
在t1时刻，开关管S1、S3开通，由于电感电流iCr不能突变，因此，开关管S1与S3是零电流开通。在这期间S1、S2、S3、S4与输出整流二极管D2均导通，其电流走向如图3(c)所示，等效电路如图5所示。
由图5可得方程组如下：
已知初值为iLr(t1)=-Iin，iLd(t1)=-ILd1，uCr(t1)=-VCr1，解得：
即流过开关管S1、S3的电流增加，流过开关管S2、S4电流减小；t1′时刻，iS2(t)=iS4(t)=0，然后电流反向，通过S2和S4的体二极管续流，开关管S2、S4的漏源电压为零。因此，t1′时刻以后关断开关管S2和S4，是零电压关断。
(3)开关模态3（t2-t3）
在t2时刻，变压器漏感电流iLd减小至零，副边二极管D2零电流关断，其电流走向图如图3(d)所示，等效电路如图6所示。方程组如下：
在t3时刻，iS2(t)和iS4(t)反向过零，S2和S4的体二极管关断。
(4)开关模态4（t3-t4）
在t3时刻，S2和S4的体二极管关断，uS4瞬间上升，uS4>Vin+VCL，二极管DC导通，其电流走向如图3(e)所示，等效电路如图7所示。方程如下：
在t3时刻，谐振电感的初始电流为iLr(t3)=0，谐振电容的初始电压为uCr(t3)=Zr ILr2 sinωr(t3-t2)=VCr3。解微分方程可得：
(5)开关模态5（t4-t5）
在t4时刻，iLr(t4)=Iin，二极管Dc关断，其电流走向如图3(f)所示，等效电路如图8所示，为电流源向电容充电。可得：
这是下半周期的初始状态。t5时刻，uCr(t5)=
，开始下半周期工作过程。
2 仿真结果
利用PSPICE软件对该高压变换器电路进行了仿真分析，仿真参数设置为：输入电压Vin=28V；开关管采用IRF150；输入电感Lin=1mH；Lr=Ld=0.5μH；Cr=0.5μF；Cp=1nF；C1=C2=10μF；工作频率fs=160kHz，变压器变比n=1。
经仿真可得到，输出直流电压Vo=96V；输出功率Po=300W。开关管很好地实现了零流开通，仿真结果如图9所示。图中自上而下依次为主开关管S1、S2的驱动脉冲、谐振电感Lr的电流、变压器漏感Ld的电流、谐振电容Cr的电压、输出二极管D1/D2上的电流。
本文提出了一种新型高压开关变换器——电流型ZCS全桥升压倍压变换器，并对该电路拓扑的稳态工作过程进行了详细的分析和推导，用PSPICE软件仿真验证了理论分析的正确性。
该变换器可以实现较高的电压增益。利用外加谐振元件和变压器寄生参数的谐振过程，实现了开关管的零流开通。采用箝位电路有效地减小了开关管电压应力，同时采用倍压电路降低了变压器升压比，减小了变压器体积并降低了变换器的设计难度。该变换器尤其适用于低压输入、高压输出的场合。因此，对高压开关电源设计者来说，电流型ZCS全桥升压倍压变换器是一种比较理想的参考方案。
参考文献
[1] CHEN R Y，LIN R L，LIANG T J，et al.Currend-fed full-bridge Boost converter with zero current switching for high voltage applications.in IEEE IAS，2005.
[2] 阮新波，严仰光.直流开关电源的软开关技术[M].北京：科学出版社，2003.
[3] 蔡宣三，龚绍文.高频功率电子学（直流—直流变换部分）[M].北京：科学出版社，1993.
[4] 张占松，蔡宣三.开关电源原理与设计(修订版)[M].北京：电子工业出版社，2004.