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大功率直流穩壓電源的半橋脈寬調制策略分析

来源:美端电气 发布时间:2019-05-11 19:49

大功率直流稳压电源(power supply)的半桥脉宽调制策略分析经常被用于中大功率电路设计的转换器一直是工程(Engineering)师们在进行大功率直流稳压电源设计时候的首选。半桥电路由两个功率开关器件总成,并向外提供方波信号。大家都知道,常见的半桥控制器通常有两种控制方法,一种是对称(symmetry)控制,而另一种则是不对称互补控制,本文主要分析实现半桥变换器软开关的PWM控制策略。

在本文中緩沖型軟開關對稱PWM控制策略是指對稱控制半橋變換器磁心雙向磁化,利用率(availability)高,且不存在偏磁。控制方便,控制特性線性。功率管上電壓(voltage)應力低,適用于高輸入電壓場合,但此種半橋變換器較難實現軟開關,變換器效率難以得到提高。
对称(symmetry)PWM 控制(control)ZVS半桥变换器
对称式PWM 控制ZVS半桥变换器(见图1),其与传统半桥电路相比,对称PWM控制的ZVS直流变换器增加了一个由辅助开关管和一个晶体二极管组成的支路。其主开关管不仅工作(job)在对称状态,而且下管和辅助开关管可在全负载范围(fàn wéi)内实现ZVS,上管也能在宽负载范围内实现ZVS,引起的附加损耗很小。该变换器器件所受应力小,可靠性高,其更适合采用MOSFET做开关管,较少应用(application)于高电压(voltage)、大功率场合。该变换器需要利用谐振电感的储能来实现开关管的ZVS,增大谐振电感能扩大上管ZVS范围,但会使占空比丢失严重,设计谐振电感时须权衡(称量物体轻重的器具)考虑实现上管ZVS和减小占空比丢失。

图1 对称PWM 控制ZVS半桥变换器
下面我們來具體說一下控制型軟開關PWM控制策略,它是指控制型軟開關半橋變換器不增加主電路元器件(可增加電感電容元件以實現軟開關條件),通過合理設計控制電路來實現軟開關。接地電阻測試儀是摒棄了傳統的人工手搖發電工作方式,采用先進的大規模集成電路,應用DC/AC變換技術將三端鈕、四端鈕測量方式合並爲一種機型的新型数字接地電阻測試儀。圖2給出4種控制型軟開關半橋變換器的PWM控制策略。

图2 控制型软开关PWM 控制策略(strategy)
不對稱互補脈沖PWM控制(control):這種策略中開關管的控制脈沖不對稱互補,采用此控制策略的傳統不對稱半橋變換器已廣泛應用于中大功率場合。其原邊開關管實現ZVS的方式有2種:負載電流ZVS方式和勵磁電流ZVS方式。其優點是:兩個開關管都可實現ZVS;一些可改善移相全橋變換器滯後臂軟開關條件的措施也可用于不對稱半橋變換器;不存在硬開關中的震蕩問題;與移相全橋變換器相比,無循環能量。其缺點是:開關管電壓應力和開關管軟開關條件不一致,上管較難實現軟開關;整流管電壓應力不一致,且隨占空比變化,一些應用場合一個整流管電壓很高,器件較難選擇;輕載時會失去軟開關條件;變壓(氣壓變量)器(Transformer)直流偏磁,負載越重占空比越小,偏磁越嚴重;非常不適用于寬輸入或寬輸出電壓的應用場合。
移相脉冲PWM控制:由图可见采用此控制策略的半桥也称为双有源半桥。此控制策略与传统的移相全桥拓扑类似,区别在于移相的两个桥臂分布在变压器(Transformer)的原副边。此拓扑中,变压器的漏感是中间储能元件。原副边半桥各产生一个占空比为50%的方波,通过调节输出两个桥之间的移相来控制变压器漏感的能量从而调节输出电压。此拓扑可实现全负载范围(fàn wéi)的软开关,同时输出又能获得同步整流。其缺点是:循环能量非常大,输出电流纹波大。为了改善输出电流纹波大的缺点,移相ZVS半桥电路被提出。
脈沖移位PWM控制:此控制策略爲上管下降沿與下管前沿互補,脈寬相同。接地電阻測試儀使用方法要测量表面阻抗,将表放在被测表面上,按住红色的测量(TEST)按钮,持续发亮的发光二极管(LED)即指示出测量的表面阻抗量级。可实现下管的ZVS开通,上管仍然是硬开关。其优点是:可减少部分开关损耗;变压器不存在直流偏磁;整流管电压(voltage)应力对称;宽范围输入上优于不对称半桥。增加辅助电路(Electric circuit)可实现上管的ZVS。
最后为不对称(symmetry)脉冲PWM控制:其原理为其下管下降(descend)沿与上管的前沿互补,上管可实现ZVS。接地電阻測試儀使用方法要测量表面阻抗,将表放在被测表面上,按住红色的测量(TEST)按钮,持续发亮的发光二极管(LED)即指示出测量的表面阻抗量级。只要设计(Design)的占空比较小,无需其它措施(指针对问题的解决办法)即使工作在较高频率(frequency)下开关损耗也很小。变压(气压变量)器直流偏磁,除占空比端点外,偏磁电流小于不对称半桥。宽范围适用性优于传统的不对称半桥。低压大电流的应用(application)场合有一定的优势。
小結
本文中比較全面的根據具體應用(application)場合分析和綜合比較了半橋電路中的PWM策略。其詳盡總結了四種采用控制型的半橋變換器PWM控制策略以及緩沖型軟開關半橋變換器PWM控制策略,爲我們在設計時的選擇(Select)提供了依據。