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移相全橋ZVS PWM直流變換器元件參數(shù)設(shè)計(jì)

電路組成和工作原理
移相全橋型零電壓開關(guān)(PS FB ZVS)PWM DC/DC變換器是較早出現(xiàn)的一種全橋軟開關(guān)變換器,它是利用功率開關(guān)管的寄生電容或外接電容和變壓器的漏感或一次側(cè)串聯(lián)電感作為諧振元件,而使四個(gè)開關(guān)管實(shí)現(xiàn)零電壓開通和零電壓關(guān)斷(也稱準(zhǔn)零電壓關(guān)斷),其電路和主要工作波形分別如下圖所示。文章來(lái)源:http://www.oldschoolsausage.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(shù)的選擇原則
    (1) 隔直電容cL的選取
由前述知,全橋變換器中變壓器兩端承受的是正負(fù)電壓,變壓器磁心工作在一、三象限。但因開關(guān)管的不一致性以及驅(qū)動(dòng)電路的分散性,容易使高頻變壓器一次側(cè)的正負(fù)脈沖電壓不對(duì)稱,產(chǎn)生直流偏磁,若不采取措施加以抑制,長(zhǎng)時(shí)間工作,變壓器磁心會(huì)飽和,使開關(guān)管損壞。為防止變壓器正、負(fù)脈沖伏秒面積不平衡,常在變壓器一次側(cè)串聯(lián)一無(wú)極性的薄膜電容,隔離引起變壓器直流偏磁的直流電壓,從而達(dá)到抑制直流偏磁的目的。
為了減小隔直電容的損耗,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(shí),為了減小體積,節(jié)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(yīng)滿足:

    (2)開關(guān)管并聯(lián)電容的選擇
為了保證開關(guān)管實(shí)現(xiàn)ZVS,并聯(lián)電容充、放電時(shí)間必須大于2tf(df為功率IGBT關(guān)斷時(shí)間),同時(shí),死區(qū)時(shí)間必須大于電容的充、放電時(shí)間,即

超前橋營(yíng)和滯后橋臂并聯(lián)電容的選擇分別應(yīng)滿足:

    (3)一次側(cè)串聯(lián)諧振電感的設(shè)計(jì)
諧振電感的選取應(yīng)保證其上存儲(chǔ)的能量能滿足開關(guān)管ZVS的條件。
    1)超前橋臂實(shí)現(xiàn)ZVS的能量條件:在VT1和VT2開、關(guān)過(guò)程中,諧振電感由輸出濾波電感Lf的一次側(cè)折算值n^2Lf和一次電感Llk串聯(lián)構(gòu)成。一般來(lái)說(shuō),n^2Lf值很大,電感儲(chǔ)能很容易使電容C1、C2完成充放電狀態(tài)轉(zhuǎn)換。由前述知,超前臂開關(guān)管(VT1或VT2)關(guān)斷時(shí),一次電流ip在正、負(fù)方向達(dá)到其最大值Ip。同時(shí),考慮到變壓器一次繞組電容,還要一部分能量來(lái)抽走變壓器一次繞組寄生電容CTR上的電荷。
    2)滯后橋臂實(shí)現(xiàn)ZVS的能量條件:在VT3和VT4開、關(guān)過(guò)程中,二次側(cè)整流二極管向時(shí)導(dǎo)通,變壓器二次繞組兩端電壓為零,一次側(cè)電感僅為諧振電感Llk。諧振時(shí),Llk釋放儲(chǔ)能,使VT3、VT4并聯(lián)電容完成充放電狀態(tài)轉(zhuǎn)換。當(dāng)其一并聯(lián)電容電壓諧振下降到零時(shí),相應(yīng)的開關(guān)管實(shí)現(xiàn)ZVS。由式當(dāng)Cb<Cb(crit)時(shí),一次電流較小,Llk儲(chǔ)能較小,因此,滯后橋臂ZVS條件需按較小的電流來(lái)考慮。
附加諧振電感的目的就是為了實(shí)現(xiàn)滯后臂開關(guān)管的ZVS,如前面的分析,滯后臂諧振時(shí)次級(jí)電感不能通過(guò)變壓器反射到初級(jí),為了保證滯后臂的開關(guān)管ZVS,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(jié)電容)
                   Ip:滯后橋臂關(guān)斷時(shí)刻原邊電流大小
 
計(jì)算還要考慮以下幾點(diǎn)因素:
     ①、Vin應(yīng)取最高輸入電壓值,保證任意輸入電壓下,滯后橋臂均能實(shí)現(xiàn)ZVS。
     ②、考慮在輕載Ipl(10%-20%負(fù)載)時(shí)刻,需要滯后橋臂仍然需要工作在ZVS狀態(tài)。
     ③、輸出電流iLf在某個(gè)值(比如2A)時(shí)刻,輸出儲(chǔ)能電感電流任然連續(xù)或處在臨界點(diǎn)。
     也就是說(shuō),輸出儲(chǔ)能電感的脈動(dòng)電流等于2倍此值
      即                △ iLf = 2 *2A=4A
      那么             Ip=(Ipl+ △ iLf /2)/n
(4)輸出儲(chǔ)能電感設(shè)計(jì):
    移相全橋的輸出儲(chǔ)能電感其實(shí)可以看做一個(gè)單純的BUCK電感,由于其正負(fù)半周期各工作一次,所以其工作頻率等于2倍開關(guān)頻率,其計(jì)算公式為:
                       Lf = Vo *(1-Dmin)/(4*fs* △I)
    上式中的Lf是最小電感,實(shí)際取值要大于此值,以保證電流的連續(xù)性,如果需要輸出電壓在一定范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)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(shí)際上移相全橋占空比是不變的,不存在最小占空比的說(shuō)法:即
                         Dmin= Vo(min)/(Vin(max)/n-VLf-VD)
(5)主變壓器設(shè)計(jì):
    首先計(jì)算出移相全橋的次級(jí)輸出最低電壓:
                       Vsec(min)=( Vo(max)+VLf+VD)/ Dsec(max)
    初次級(jí)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(lái)計(jì)算變壓器原邊匝數(shù):
                         Np= Vin(min)*D(max)/(4*fs*Ae*Bmax)
     那么次級(jí)繞組匝數(shù)為:
                         Ns= Np/n

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