基于有效占空比的ZVZCS全桥变换器建模与仿真
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第34卷第2期 2011年4月 电子器件 Chinese Journal of Electron Devices Vo1.34 No.2 Apr.2011 Model and Simulation of ZVZCS Full-Bridge Converter Based on Effective Duty Cycle XIE Guang]un ,LIU Haiping,XU Huifang,CHENG Xin (School ofElectronic Science and Applied Physics,Hefei University D,Technology,Hefei 230009,China) Abstract:The principle of zero—voltage zero-current switching(ZVZCS)full—bridge PWM converter is analyzed.By introducing the effective duty cycle of the transformer’s secondary side voltage,considering the parasitic parameters of the circuit elements,and basing on the switching equivalent model of Buck PWM converter,the small—signal equivalent model of ZVZCS full-bridge converter is established.This method can be used in any full—bridge converter of which the effective duty cycle can be calculated.The smal1.signal transfer function’S amplitude- frequency and phase・frequency as well as the step function in the open—loop are analyzed.The results not only prove that the method has definite physical meaning,simple calculation and high precision,but also reveal that the ZVZCS full—bridge soft—switching converter has a higher stability comparing with conventional Buck converter. Key words:ZVZCS full-bridge converter;effective duty cycle;parasitic parameters;small-signal equivalent model EEACC:1290B doi:10.3969/j.issn.1005—9490.2011.02.019 基于有效占空比的ZVZCS全桥变换器建模与仿真米 解光军 ,刘海平,徐慧芳,程 心 (合肥工业大学电子科学与应用物理学院,合肥230009) 摘 要:分析了零电压一零电流开关(zvzcs)全桥脉宽调制(PWM)变换器的工作原理,引入变压器副边电压有效占空比的 概念并考虑电路元件的寄生参数,在Buck变换器的PWM开关等效模型的基础上,建立了ZVZCS全桥软开关变换器的小信号 等效模型,该方法通用于任何可以计算出有效占空比的全桥变换器。通过对小信号传递函数的幅频和相频特性以及开环情 况下的阶跃函数的仿真分析,证明了该方法具有物理意义明确、计算简单、精确度高等特点,也揭示了ZVZCS全桥软开关变换 器相对于常规Buck变换器具有更高的稳定性。 关键词:ZVZCS全桥变换器;有效占空比;寄生参数;小信号等效模型 中图分类号:TM930 文献标识码:A 文章编号:1005-9490(2011)02-0194-05 近年来,随着开关电源向着高频化、小型化、轻 量化的发展,对功率级的要求以及谐振技术的应用, 在中大功率开关电源中,全桥软开关电源的应用越 来越广泛。目前对于ZVZCS全桥软开关变换器的 研究偏重于应用,主要是通过增加辅助电路来改变 法建模,运算量很大,结果会很复杂。本文在Buck 变换器PWM开关等效模型的基础上,结合软开关 变换器的特点,引入有效占空比的概念并考虑电路 元件的寄生参数,建立了ZVZCS全桥变换器的等效 小信号模型,该方法具有很强的通用性,其基于变压 其拓扑结构,从而达到更好的实现超前臂ZVS、滞后 臂ZCS条件、减小开关损耗及电流电压应力、提高 效率等,最后使用实物仿真来验证其合理性。而对 于建模方面的文献比较少。 器副边电压的有效占空比,适用于任何复杂的全桥 变换器。 1 ZVZCS全桥变换器的工作原理 ZVZCS全桥变换器主电路结构如图1所示。 该电路结构中主开关为两组四个互补控制的功率开 ZVZCS全桥变换器与传统变换器相比,工作状 态更多,因此如果使用状态空间平均法或电路平均 项目来源:安徽省高等学校省级自然科学研究重点项目(KJ2011A213) 收稿日期:2010—09—29 修改日期:2010—10—21 第2期 解光军,刘海平等:基于有效占空比的ZVZCS全桥变换器建模与仿真 195 关管IGBT(Q ~Q ),D 、D,分别为Q 和Q 的体二 极管,c 、c,是Q 和Q,的寄生电容,C 为隔直电 容,输出电感 、电容C组成滤波网络。 图1 ZVZCS全桥变换器电路图 对ZVZCS全桥变换器进行分析之前,先做如下 说明和假设:(1)开关管Q 和Q,的寄生电容c。和 的电容值相等(都为c );(2) 表示功率开关管 开关周期的一半;(3) 表示状态变量 在 内的 平均值,/)cbp表示隔直电容C 上的电压 。 在 内的 最大值;(4)滤波电感,J足够大,开关过程中,负载 电流 .可以视为恒流源;(5)功率MOSFET(Q ~ Q )的开关时间为零。 该变换器在半个周期内对应5个工作阶段,波 形如图2所示。在t。之前,Q 、Q 均导通,原边电流 向电容C 充电,且 (t。)=iL/n。 , lQ l Q .I Q, Q, I j , Q Q l Q 。\ ‘、 .} 【..--- l 一一 一一 / / \ \ | 。———一 ●.一 ./ / h \ I / -_ L \ \ ‘1 .、 ‘\ .得C 充电,C 放电;变压器漏感 与滤波电感 串 联,根据假设,此阶段中原边电流i 可看作为常数, 即 = (t。)=iLIn, 。 分别以相同的速率线性上 升和下降。该阶段在前半个周期 中所占的比 率为: d()1=to l= (1) 该阶段结束时 6( 1):):Vcb (( 。)十_ 0)十— 一 2C._vi(2) (2)第2阶段[t1~t2]:t 时刻,C3放电完毕,D3 导通,Q 在此阶段内实现零电压导通, 。 =0,隔直 电容c 上的电压 .加在漏感 和变压器原边上, 上的负电压使得原边电流 。开始减小,而副边保 持负载电流 .不变,因此i 不足以提供负载电流, 整流二极管D ~D 同时导通,变压器原、副边等效 为短路,隔直电压 ...全部降落在漏感 上。假设 。 足够大,可以视为恒压源,即 = , 则原边电流 。线性下降。该阶段在 中所占的比率为: r,一 一 , 、 。一 一凡 (3)第3阶段[t ~t。]:t 时刻, 。:0,由于二极 管D 阻碍了 。的反向增大,因此 。在此阶段恒为 0, =一 np(】由于i 恒为0,Q 实现零电流关断,经 过一个很短的延时,Q,零电流导通,该阶段结束。 (4)第4阶段[t,~t ]:t,时刻,Q 导通,i 开始 反向增大,南于 了i。的上升率,Q:的导通可 看作零电流导通。 的绝对值小于负载电流的大小 时,四个整流二极管始终导通,使变压器原、副边电 压同定为o,L 上的电压为一( + ),i 线性下降。 该阶段在 中所占的比率为: ,t34 Lk £ d。 丽 4) (5)第5阶段[t ~t ]:t 时刻,i 大小等于负载 电流,变压器开始向负载供电,隔直电容C 放电, D D 关断。令此阶段在 中所占的比率以 为 d。 。在t 时刻,Q。关断,阶段5结束。 2 ZVZCS非理想全桥变换器的建模 2.1有效占空比 根据上文对zvzcs全桥变换器工作原理的分 析可知,第5阶段在 中所占的比率d 为变压器 副边电压的有效占空比,而第4、5阶段在 中所占 的比率d=d, +d 为变压器原边电压的占空比。 根据图2及上文分析可得, 的最大值为: 196 电 子 器件 第34卷 :盎d (5) . , +nRL— G 对交流变量做扰动分离,忽略交流小分量,由式 (3)、式(5)得: +2 +( ) ,(8) 。 其中,转折频率 。=,\, n( R+RL)-ViGi2nCbvcl1p Lk 副边电压有效占空比d。 的DC表达式为: DeⅡ= 、 阻尼比 (6) nRRcC+nL+(R+Rc)(nR -v,G )C ’ n( + ) 副边电压有效占空比detf的AC表达式为: =Gd3+G v。+G iL (7) G + = D34, DD34 L G = 2nCb( + p)n ( + p)。 从式(7)可以看出a 的扰动是由原边电压占 空比 、输入电压 以及电感电流: 的扰动共同引 起的,这正确反映了软开关电路的工作特点。 2.2小信号等效模型 全桥变换器属于Buck变换器这一类型,但是由 于ZVZCS全桥变换器需要依靠变压器的漏感和辅 助能量恢复缓冲电路来实现软开关条件,因此其电 路特性和Buck变换器有明显的区别。但是通过引 入副边电压有效占空比的概念,可以在Buck变换器 平均等效模型的基础上,结合ZVZCS变换器的特性 来建立ZVZCS变换器的非理想等效模型。用式(7) 中的d fr代替普通Buck变换器小信号模型中的d, 代替 ,即可得到图3所示的ZVZCS全桥变换 器等效小信号模型。 }( 1) 4< > … 图3 zvzcs变换器的小信号模型 其中,用两个信号源来表示a对变换器动 态性能的影响,这与Buck变换器类似,用两个控制 信号源来表示由 、 产生的影响,这主要是用来强 调G 、G 是由实现软开关的电路产生的。 为滤 波电感 的等效寄生电阻, 为滤波电压C的等效 寄生电阻。 根据图3可算出输出电压 (s)对控制变量 a(s)的传递函数 G喇(s)= “ , f( )=0 = GdR(1+sRcC) nR(1+sRcC)+(nR£+snL— Gf)(1+sRcC+sRC)一 零点 去。 令S=0,即可得到小信号特性的低频渐进线 (0)= V IGdR ,与电感的等效串联电阻 (ESR)R 有关;令s一∞,即可得到小信号特性的高 频渐进线:G (∞)=0。 根据式(8)及其分析可以看出: 影响 (s)的 低频特性,同时R 变大,转折频率∞。变大,即吼影 响电路的频带宽度;R使G s)引入零点(-Oz = ; Gi<0,因此若输出电感电流增加,; >o,则 <0,也就 是产生了一个内建的负反馈机制,可以提高电路的稳 定性;Buck变换器中 ,:—RR cC+L+(R+Rc)RLC======,2√( L)(R c)LC 与 ZVZCS变换器的阻尼比 相比可以看出 ,即 ZVZCS变换器的阻尼比更高,意味着其具有更小的超 调量。 3实际变换器的仿真研究 3.1参数选取的合理性分析 本文选用的实际ZVZCS全桥变换器各参数为 =540 Vd。4-10%, =300 Vdc, =50 A,开关频率 /=20 kHz,在开关频率处测得的漏感 =2 IxH,R= 6 Q,L=19.2 txH,RL=10 mQ,C=1 000 trF,Rc= 2 mn,整流二极管上的压降 :1 V。 隔直电容c^的数值取决于两个方面:为了提高 D ,应当尽可能减小C ;而为了降低滞后臂的电 压应力,应尽可能增加C ,因此C 的取值应折中以 上两方面考虑c 的取值。一般地,c 的取值应 满足 '/3 0.2v/=108 V (9) I, 由图1得÷・D =Vo+2 ,即输人电压 取最 小值时有效占空比D。 取到最大值,若假设D。‰ = 0.8,则 Vimin Doffm axn= 丽 ・=1.28 (10)uJ 若变压器的原、副边线圈的匝数分别为10、13, 第2期 解光罕,刘海平等:基于有效占空比的ZVZCS全桥变挟器建模与仿真 197 则凡=1.3,代入式(10),可以算出 Deffmax--n—(V o +2VD):0.807(1 1) 为了满足式(9),由式(5)有 ,, C  ̄Defifnax ---3.6 IxF ( 2) 这里我们选择型号为Ⅶ50—123的IGBT作为功 率开关管,则第三阶段的持续时间t = :0.35 Ixs,则D23=t23/ :0.014。 再根据式(3)、式(4)得到: 专: 一o -) = = .oo4 7 ( D12+D23+D34+D 0.854<1 (15) 这说明n和c 取值是合理的。 缓冲电容C 、C 的作用是实现超前臂的软开关 关断,为了减少开关的关断损耗,满载情况下第一阶 段持续时间t。。大小应约为(2~3) 因此从式(2) 得出: C C C。= = =。= =37.4 nF =. (16)) 3.2仿真波形及分析 通过MATLAB/Simulink软件仿真,可以得到上 文推导的ZVZCS变换器的传递函数G (s)的Bode 图如图4所示,其中:(1)R =0,R =0,即考虑理想 情况,图中以虚线表示;(2)R ≠0,R。≠0,即考虑变 换器的寄生参数,图中以实线表示;(3)同样考虑寄 生参数的相应Buck变换器传递函数波特图,即G : 1,G =0,G =0,图中以点状线表示。ZVZCS变换 器、Buck变换器的开环传递函数G (s)的阶跃响应 如图5所示,网中实线、虚线分别对应ZVZCS变换 器和Buck变换器。 Bode Diagram 70 60 50 40 30 20 10 0 Frequency/(rad/sec) 图4 ZVZCS全桥变换器的传递函数G¨( )的Bode图 等 量 Time/see (a)重载情况下的阶跃响应 Step Response Time/see (b)轻载情况下的阶跃响应 图5 开环传递函数G d(5)的阶跃响应 4 结论 本文通过对ZVZCS全桥PWM变换器的小信号 等效电路模型的建立与仿真可以看出,副边电压的有 效占空比这一概念对于ZVZCS全桥变换器的建模十 分关键,能大大简化模型的建立,并且这一方法具有 很强的通用性,适用于加有任何辅助电路的全桥变换 器;同时考虑电路元件寄生参数的等效电路模型能更 正确地反映实际变换器的特性,提高模型的精确度, 揭示了考虑寄生参数建模的必要性;与Buck变换器 相比,软开关变换器的高阻尼比、内建负反馈使电路 具有更高的稳定性,证明了使用全桥ZVZCS软开关 变换器相对于常规能够使电路更加稳定。 参考文献: [1] Yan Ban,Li Sheng,Jiang Jiuchun,et a1.Research and Improvement of A Zero—Voltage Zero—Current Switching Full—Bridge Converter[C]// IEEE Power Electronics Specialists Conference,2OO8:825—829. 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