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選擇有依據(jù)!半橋DC/DC開關(guān)電源的脈寬調(diào)制策略分析

發(fā)布時(shí)間:2014-12-12 責(zé)任編輯:xueqi

【導(dǎo)讀】本文詳盡總結(jié)了四種采用控制型的半橋DC/DC變換器PWM控制策略以及緩沖型軟開關(guān)半橋DC/DC變換器PWM控制策略,為大家在設(shè)計(jì)時(shí)的選擇提供了依據(jù)。
 
經(jīng)常被用于中小功率電路設(shè)計(jì)的DC-DC轉(zhuǎn)換器一直是工程師們在進(jìn)行電源設(shè)計(jì)時(shí)候的首選。半橋電路由兩個(gè)功率開關(guān)器件總成,并向外提供方波信號(hào)。大家都知道,常見的半橋控制器通常有兩種控制方法,一種是對稱控制,而另一種則是不對稱互補(bǔ)控制,本文主要分析實(shí)現(xiàn)半橋DC/DC變換器軟開關(guān)的PWM控制策略。
 
在本文中緩沖型軟開關(guān)對稱PWM控制策略是指對稱控制半橋變換器磁心雙向磁化,利用率高,且不存在偏磁??刂品奖?,控制特性線性。功率管上電壓應(yīng)力低,適用于高輸入電壓場合,但此種半橋變換器較難實(shí)現(xiàn)軟開關(guān),變換器效率難以得到提高。
 
對稱PWM 控制ZVS半橋變換器
 
對稱式PWM 控制ZVS半橋變換器(見圖1),其與傳統(tǒng)半橋電路相比,對稱PWM 控制的ZVS直流變換器增加了一個(gè)由輔助開關(guān)管和一個(gè)二極管組成的支路。其主開關(guān)管不僅工作在對稱狀態(tài),而且下管和輔助開關(guān)管可在全負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn) ZVS,上管也能在寬負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)ZVS,引起的附加損耗很小。該變換器器件所受應(yīng)力小,可靠性高,其更適合采用MOSFET做開關(guān)管,較少應(yīng)用于高電壓、大功率場合。該變換器需要利用諧振電感的儲(chǔ)能來實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的ZVS,增大諧振電感能擴(kuò)大上管ZVS范圍,但會(huì)使占空比丟失嚴(yán)重,設(shè)計(jì)諧振電感時(shí)須權(quán)衡考慮實(shí)現(xiàn)上管ZVS和減小占空比丟失。
 
 
圖1:對稱PWM 控制ZVS半橋變換器
 
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下面我們來具體說一下控制型軟開關(guān)PWM控制策略,它是指控制型軟開關(guān)半橋DC/DC變換器不增加主電路元器件(可增加電感電容元件以實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)條件),通過合理設(shè)計(jì)控制電路來實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)。圖2給出4種控制型軟開關(guān)半橋DC/DC變換器的PWM控制策略。
 
 
圖2:控制型軟開關(guān)PWM 控制策略
 
不對稱互補(bǔ)脈沖PWM控制:這種策略中開關(guān)管的控制脈沖不對稱互補(bǔ),采用此控制策略的傳統(tǒng)不對稱半橋變換器已廣泛應(yīng)用于中小功率場合。其原邊開關(guān)管實(shí)現(xiàn)ZVS的方式有2種:負(fù)載電流ZVS方式和勵(lì)磁電流ZVS方式。其優(yōu)點(diǎn)是:兩個(gè)開關(guān)管都可實(shí)現(xiàn)ZVS;一些可改善移相全橋變換器滯后臂軟開關(guān)條件的措施也可用于不對稱半橋變換器;不存在硬開關(guān)中的震蕩問題;與移相全橋變換器相比,無循環(huán)能量。其缺點(diǎn)是:開關(guān)管電壓應(yīng)力和開關(guān)管軟開關(guān)條件不一致,上管較難實(shí)現(xiàn)軟開關(guān);整流管電壓應(yīng)力不一致,且隨占空比變化,一些應(yīng)用場合一個(gè)整流管電壓很高,器件較難選擇;輕載時(shí)會(huì)失去軟開關(guān)條件;變壓器直流偏磁,負(fù)載越重占空比越小,偏磁越嚴(yán)重;非常不適用于寬輸入或?qū)捿敵鲭妷旱膽?yīng)用場合。
 
移相脈沖PWM控制:由圖可見采用此控制策略的半橋也稱為雙有源半橋。此控制策略與傳統(tǒng)的移相全橋拓?fù)漕愃疲瑓^(qū)別在于移相的兩個(gè)橋臂分布在變壓器的原副邊。此拓?fù)渲?,變壓器的漏感是中間儲(chǔ)能元件。原副邊半橋各產(chǎn)生一個(gè)占空比為50%的方波,通過調(diào)節(jié)輸出兩個(gè)橋之間的移相來控制變壓器漏感的能量從而調(diào)節(jié)輸出電壓。此拓?fù)淇蓪?shí)現(xiàn)全負(fù)載范圍的軟開關(guān),同時(shí)輸出又能獲得同步整流。其缺點(diǎn)是:循環(huán)能量非常大,輸出電流紋波大。為了改善輸出電流紋波大的缺點(diǎn),移相ZVS半橋電路被提出。
 
脈沖移位PWM控制:此控制策略為上管下降沿與下管前沿互補(bǔ),脈寬相同??蓪?shí)現(xiàn)下管的ZVS開通,上管仍然是硬開關(guān)。其優(yōu)點(diǎn)是:可減少部分開關(guān)損耗;變壓器不存在直流偏磁;整流管電壓應(yīng)力對稱;寬范圍輸入上優(yōu)于不對稱半橋。增加輔助電路可實(shí)現(xiàn)上管的ZVS。
 
最后為不對稱脈沖PWM控制:其原理為其下管下降沿與上管的前沿互補(bǔ),上管可實(shí)現(xiàn)ZVS。只要設(shè)計(jì)的占空比較小,無需其它措施即使工作在較高頻率下開關(guān)損耗也很小。變壓器直流偏磁,除占空比端點(diǎn)外,偏磁電流小于不對稱半橋。寬范圍適用性優(yōu)于傳統(tǒng)的不對稱半橋。低壓大電流的應(yīng)用場合有一定的優(yōu)勢。
 
小結(jié)
 
本文中比較全面的根據(jù)具體應(yīng)用場合分析和綜合比較了半橋DC/DC電路中的PWM策略。其詳盡總結(jié)了四種采用控制型的半橋DC/DC變換器PWM控制策略以及緩沖型軟開關(guān)半橋DC/DC變換器PWM控制策略,為大家在設(shè)計(jì)時(shí)的選擇提供了依據(jù)。
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