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移相全橋大功率軟開關電源的設計(2)
2011年10月24日 11:12 來源:本站整理 作者:秩名 我要評論(0)
5 采用多個變壓器串并聯結構,使并聯的輸出整流二極管之間實現自動均流
為了進一步減小損耗,輸出整流二極管采用多只大電流(400A) 、耐高電壓(80V) 的肖特基二極管并聯使用。而且,每個變壓器的次級輸出采用了全波整流方式。這樣,每一次導通期間只有一組二極管流過電流。同時,次級整流二極管配上了RC 吸收網絡,以抑止由變壓器漏感和肖特基二極管本體電容引起的寄生震蕩。這些措施都最大限度地減小了電源的輸出損耗,有利于效率的提高。
對于大電流輸出來說,一般要把輸出整流二極管并聯使用。但由于肖特基二極管是負溫度系數的器件,并聯時一般要考慮它們之間的均流。二極管的并聯方式有許多種,圖5 所示,圖a 為直接并聯方式;圖b 為串入電阻并聯方式;圖c 為串入動態均流互感器并聯方式。(均以四只二極管的并聯為例)。
圖5 二極管的并聯方式
對于直接并聯方式,二極管的均流效果很差,輸出電流一般限制在幾十安培到幾百安培左右,不易于做到上千安培。在電流為上千安培輸出的情況下,為了達到均流的目的,可以采用串入電阻方式并聯或采用串入動態均流互感器并聯。由于鄰近效應及趨膚效應的影響,對于串入電阻的并聯方式,二極管的均流效果隨輸出電流的大小而改變,均流效果較差。為達到較好均流效果,串入的電阻不宜太小,這又帶來較大的損耗。對于串入動態均流互感器的并聯方式,可以達到較好的均流效果,但大電流互感器的制作工藝復雜,成本高,同時由于動態均流互感器的漏感及引線電感的存在,使得二極管在關斷時的反向尖峰電壓增高,電磁干擾及損耗隨之增加。
為了克服以上并聯方式的不足之處,使輸出整流二極管實現既能自動均流,降低損耗,又可以降低制作工藝的復雜性,我們設計了一種新穎的高頻功率變壓器,如圖1 所示。這種變壓器是由8 個相同的小變壓器構成,變比均為4∶1 ,它們的初級串聯,而次級則采用并聯結構。該變壓器采用初級自冷和次級水冷相結合的冷卻方式,這樣考慮主要在于它們的熱損耗不同,而且可以大大簡化變壓器的制作工序。
下面以兩個變壓器組為例(圖6 所示) ,說明二極管之間的均流。
圖6 多個變壓器的連接示意圖
uin為正時, u1 與u3 為正,二極管D1 與D3 導通,D2 與D4 截止,此時可以得出:
當二極管的管壓降uD1 與uD3 不等時,由公式(3) 、(4) 、(5) 、(6) 可以得出,兩個變壓器原邊的電壓uA與uB 也不等,二極管管壓降高的變壓器原邊的電壓就高,反之亦然。由公式(1) 、(2) 得:
即流過二極管D1 與D3 的電流始終相等,實現自動均流。可見,變壓器的這種連接方式,是靠調整單個變壓器原邊的電壓來實現輸出整流二極管的自動均流。
多個變壓器的這種連接方式,不僅可以使得輸出整流二極管實現自動均流,還可以使得變壓器的設計模塊化,簡化變壓器的制作工藝,降低了損耗。
與一只單個變壓器相比,多個變壓器的這種連接方式,減小了變壓器的變比,增強了變壓器原副邊的磁耦合性,減小了漏感(實際測量8 個變壓器原邊串聯后的漏感為6μH) ,減小了占空比的丟失。圖7 為滿載時變壓器初級電壓波形VP 和次級電壓波形VS ,從圖中可以看到占空比丟失不多(大約為5 %) ,使得系統的性能顯著提高。
圖7 變壓器初級和次級電壓波形圖
6 控制電路的設計
由于在本電源中使用的開關元件的過載承受能力有限,必須對輸出電流進行限制,因此,控制電路采用電壓電流雙環結構(內環為電流環,外環為電壓環) ,調節器均為PID.圖8 為控制電路的原理框圖。加入電流內環后,不僅可以對輸出電流加以限制,并且可以提高輸出的動態響應,有利于減小輸出電壓的紋波。
圖8 控制電路的原理框圖
在實際的控制電路中采用了穩壓、穩流自動轉換方式。圖9 為穩壓穩流自動轉換電路。其工作原理是:穩流工作時,電壓環飽和,電壓環輸出大于電流給定,從而電壓環不起作用,只有電流環工作;在穩壓工作時,電壓環退飽和,電流給定大于電壓環的輸出,電流給定運算放大器飽和,電流給定不起作用,電壓環及電流環同時工作,此時的控制器為雙環結構。這種控制方式使得輸出電壓、輸出電流均限制在給定范圍內,具體的工作方式由給定電壓、給定電流及負載三者決定。
圖9 穩壓穩流自動轉換電路
由于本電源的容量為60kW,為了提高效率、減小體積、提高可靠性,因此,采用軟開關技術。高頻全橋逆變器的控制方式為移相FB2ZVS 控制方式[1 ] ,它利用變壓器的漏感及管子的寄生電容諧振來實現ZVS .控制芯片采用Unitrode 公司生產的UC3875N。通過移相控制,超前橋臂在全負載范圍內實現了零電壓軟開關,滯后橋臂在75 %以上的負載范圍內實現了零電壓軟開關。圖2 為滯后橋臂IGBT的驅動電壓和集射極電壓波形,可以看出實現了零電壓開通。
7 總結
該電源裝置中,使用移相全橋軟開關技術,使得功率器件實現零電壓軟開關,減小了開關損耗及開關噪聲,提高了效率;設計并使用了一種新穎的高頻功率變壓器,通過調整單個變壓器的原邊電壓使輸出整流二極管實現自動均流;設計并使用了容性功率母排,減小了系統中的振蕩,減小了功率母排的發熱。控制電路中采用了穩壓穩流自動轉換方案,實現了輸出穩壓穩流的自動切換,提高了電源的可靠性及輸出的動態響應,減小了輸出電壓的紋波。
實驗取得了令人滿意的結果,其中功率因數可達0. 92 , 滿載效率為87 % , 輸出電壓紋波小于25mV.不僅如此,各項指標都達到甚至超過了用戶要求,而且通過了有關部門的技術鑒定,現已批量投入生產。
本文導航
- 第 1 頁:移相全橋大功率軟開關電源的設計(1)
- 第 2 頁:多個變壓器串并聯結構的采用