高頻軟開(kāi)關(guān)充電器的研制
| 0 引言 隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展,高頻電源 target=_blank>開(kāi)關(guān)電源的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。 提高功率器件的開(kāi)關(guān)頻率,可改善裝置的輸入輸出特性,減小體積和重量，所以高頻功率變換器受到人們的青睞。但開(kāi)關(guān)頻率的提高也帶來(lái)了不利的影響，通常器件在脈寬調(diào)制（PWM）硬開(kāi)關(guān)工作方式下，開(kāi)關(guān)損耗正比于開(kāi)關(guān)頻率[1]。當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率提高時(shí),開(kāi)關(guān)損耗增加,導(dǎo)致散熱器體積和重量增大,效率降低。尤其當(dāng)功率器件在高電壓、大電流場(chǎng)合下作高頻運(yùn)行時(shí),開(kāi)關(guān)損耗會(huì)變得相當(dāng)嚴(yán)重，同時(shí)也帶來(lái)嚴(yán)重的電磁干擾。為了解決高頻運(yùn)行時(shí)開(kāi)關(guān)損耗和電磁干擾的問(wèn)題，目前有準(zhǔn)諧振電路、零開(kāi)關(guān)脈寬調(diào)制（PWM）電路、零轉(zhuǎn)換脈寬調(diào)制（PWM）電路等幾種軟開(kāi)關(guān)電路[2]。準(zhǔn)諧振電路和零開(kāi)關(guān)脈寬調(diào)制（PWM）電路的諧振環(huán)節(jié)是串聯(lián)在主電路中，使得功率器件的電壓、電流應(yīng)力較大。零轉(zhuǎn)換脈寬調(diào)制（PWM）電路的諧振環(huán)節(jié)與主開(kāi)關(guān)管并聯(lián)，因此輸入電壓和輸出電流對(duì)電路諧振過(guò)程的影響小，電路在很寬的輸入電壓和輸出電流范圍內(nèi)都可實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)，大大降低了電路中無(wú)功功率的交換，提高了效率。本文介紹了一種雙管正激式零電壓轉(zhuǎn)換－脈寬調(diào)制（ZVT－PWM）功率變換器，并將其應(yīng)用于航空蓄電池充電器。 1 電路的工作原理 1.1 電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 雙管正激ZVT－PWM功率變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。  圖1 雙管正激ZVT－PWM功率變換器拓?fù)?BR> 圖1中，S1(DS1)、S2(DS2)、D1、D2、變壓器T及變壓器副邊的整流和濾波電路構(gòu)成雙管正激變換器，變壓器原副邊匝比為n=N1/N2。輔助開(kāi)關(guān)管Sa(Da1)、輔助二極管Da2、Da3和Da4、諧振電感Lr和諧振電容Cr構(gòu)成輔助電路，以實(shí)現(xiàn)主開(kāi)關(guān)管的軟開(kāi)關(guān)。 1.2 電路的工作原理[3] 電路主要波形如圖2所示。在t0時(shí)刻之前，主開(kāi)關(guān)管S1、S2和輔助開(kāi)關(guān)管Sa均處于關(guān)斷狀態(tài)，諧振電感電流為零，諧振電容電壓為－Vin，負(fù)載電流Io流過(guò)續(xù)流二極管DR2。  圖2 電路主要波形 ?。?）模態(tài)1[t0，t1]在t0時(shí)刻開(kāi)通輔助開(kāi)關(guān)管Sa，Lr和Cr開(kāi)始諧振工作，在ta時(shí)刻，諧振電感電流達(dá)到******值，諧振電容電壓下降為零。在t1時(shí)刻諧振電感電流為零，諧振電容電壓為Vin，主開(kāi)關(guān)管S1、S2兩端電壓下降到零。 （2）模態(tài)2[t1，t2]在t1時(shí)刻零電壓開(kāi)通S1、S2，加在變壓器原邊繞組上的電壓為電源電壓Vin，整流管DR1導(dǎo)通，DR2關(guān)斷，原邊開(kāi)始為負(fù)載供電，在t2時(shí)刻關(guān)斷S1、S2。 ?。?）模態(tài)3[t2，t3]在t2時(shí)刻關(guān)斷S1、S2后，整流管DR2繼續(xù)導(dǎo)通，負(fù)載電流和勵(lì)磁電流通過(guò)Da3和Da4同時(shí)給諧振電容Cr充電，由于Cr限制了S1、S2上的電壓上升率，S1、S2是零電壓關(guān)斷。在t3時(shí)刻，Cr的電壓下降到零。 ?。?）模態(tài)4[t3，t4]勵(lì)磁電感與諧振電容Cr諧振工作，整流管DR1關(guān)斷，負(fù)載電流流過(guò)續(xù)流二極管DR2，在t4時(shí)刻，諧振電容電壓下降到－Vin。 ?。?）模態(tài)5[t4，t5]當(dāng)諧振電容電壓下降到－Vin后，二極管D1、D2導(dǎo)通，將諧振電容電壓箝在－Vin，在t5時(shí)刻，勵(lì)磁電流減小到零，變壓器完成磁復(fù)位。 （6）模態(tài)6[t5，t6]負(fù)載電流流過(guò)續(xù)流二極管DR2，在t6時(shí)刻，Sa開(kāi)通，開(kāi)始另一個(gè)周期。 2 軟開(kāi)關(guān)的實(shí)現(xiàn) 2.1 軟開(kāi)關(guān)范圍 充電器在工作時(shí)，輸入電壓是一定的，但是負(fù)載電流不是一個(gè)定值，在輕載時(shí)，副邊折算到原邊的電流太小，那么變壓器原邊所積聚的能量就不足以使得功率開(kāi)關(guān)管S1、S2工作在軟開(kāi)關(guān)條件下。航空182酸性蓄電池常規(guī)兩階段充電第一階段充電電流為18A，轉(zhuǎn)換以后第二階段充電電流為9A。電源電流輸出范圍是4～20A，那么設(shè)計(jì)充電電源在10A時(shí)，功率開(kāi)關(guān)管S1、S2開(kāi)始工作在軟開(kāi)關(guān)。 2.2 軟開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)策略 通過(guò)變壓器鐵芯加氣隙，減小激磁電感，增大激磁電流，可以實(shí)現(xiàn)S1、S2的軟開(kāi)通，但是變壓器鐵芯加氣隙的代價(jià)是增大了電源的通態(tài)損耗。S1、S2實(shí)現(xiàn)了軟開(kāi)通，可以減小其開(kāi)通損耗，減小其發(fā)熱量，改善電源工作性能，加大了電源工作的可靠性，是值得的。 另一種方法是在副邊整流二極管DR1支路上串聯(lián)一個(gè)飽和電感，延緩整流二極管DR1開(kāi)通時(shí)刻，即飽和電感暫時(shí)將變壓器和負(fù)載斷開(kāi)，整個(gè)激磁電流將全部用來(lái)對(duì)諧振電容Cr充電，但是在高頻時(shí)，此飽和電感損耗較大。 2.3 寄生振蕩對(duì)電路的影響及其克服辦法 由電路工作原理中開(kāi)關(guān)模態(tài)2原理分析中得知，由于輔助二極管Da2的阻斷作用，當(dāng)iLr下降到零后不能反向流動(dòng)，在t1時(shí)刻后可以零電壓關(guān)斷輔助開(kāi)關(guān)Sa。然而在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，Lr與Da2的結(jié)電容Ca2以及Sa漏源結(jié)電容CSa產(chǎn)生了嚴(yán)重的寄生振蕩。在高電壓、大功率情況下，功率二極管的結(jié)電容較大，從而使這一振蕩的幅度也較大。振蕩必然帶來(lái)電路噪聲，影響系統(tǒng)穩(wěn)定性，因此必須加以克服。解決這個(gè)問(wèn)題的辦法是在諧振電感支路中串聯(lián)一飽和電感來(lái)吸收該振蕩。當(dāng)其上通過(guò)正向電流時(shí)，飽和電感很快進(jìn)入飽和狀態(tài)，相當(dāng)于短路而不起作用，當(dāng)其上電流逐漸減小到零時(shí)，呈現(xiàn)一個(gè)很大的感抗，瞬間相當(dāng)于斷開(kāi)了該支路。 改進(jìn)的雙管正激零電壓轉(zhuǎn)換－脈寬調(diào)制（ZVT－PWM）功率變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。  圖3 改進(jìn)的雙管正激ZVT－PWM功率變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 3 充電控制技術(shù) 充電控制方式是根據(jù)航空鉛蓄電池充電標(biāo)準(zhǔn)的兩階段恒流充電法。在第一階段充電電流為蓄電池容量的10％，第二階段充電電流為蓄電池容量的5％。在充電過(guò)程中，隨著蓄電池電動(dòng)勢(shì)的升高，逐漸提高充電電壓，以保持充電電流的恒定，當(dāng)充電電壓上升到蓄電池額定電壓的1.15～1.2倍時(shí)，蓄電池開(kāi)始析氣，此時(shí)將充電電流降為第二階段電流，直到蓄電池充電。原理框圖如圖4所示。同時(shí)在充電過(guò)程中采用dv/dt技術(shù)，即判斷蓄電池的端電壓在充電過(guò)程中是否變化，以解決判斷充電終了的技術(shù)問(wèn)題。采用這種充電方法，首先可以很?chē)?yán)格地按照蓄電池充電規(guī)范的要求來(lái)對(duì)蓄電池進(jìn)行充電，確保充電質(zhì)量。其次，在第一階段進(jìn)行大電流充電，很快將蓄電池充到額定容量的80％，這樣就縮短了充電時(shí)間。在蓄電池剛析出氣體時(shí)進(jìn)入第二階段充電，減小了充電電流，也就減少了氣體的析出量，避免了析出氣體對(duì)極板的沖擊損壞。最后，采用dv/dt技術(shù)進(jìn)行充電終了判斷，可以避免由人工測(cè)量單格電壓來(lái)判斷充電終了所帶來(lái)的因人而異的問(wèn)題，同時(shí)也減少了充電工的工作量。  圖4 充電控制原理框圖 4 研制實(shí)例 采用以上技術(shù)，研制了1.8kW的航空蓄電池充電器。 4.1 電路的主要參數(shù) 輸入為三相380交流電，輸出為0～90V直流電壓，輸出電流為4～20A。工作頻率為50kHz。諧振電容為12nF，諧振電感為22μH。變壓器變比為20：11。 4.2 工作波形 從圖5（a）可以看出，S1、S2工作在硬開(kāi)關(guān)條件下，當(dāng)驅(qū)動(dòng)脈沖到來(lái)時(shí)，S1、S2漏源電壓為150V，當(dāng)S1、S2關(guān)斷時(shí)，其漏源電壓為250V。從圖5（b）可以看出，S1、S2工作在軟開(kāi)關(guān)條件下，當(dāng)驅(qū)動(dòng)脈沖到來(lái)時(shí)，S1、S2漏源電壓為0V，當(dāng)S1、S2關(guān)斷時(shí)，其漏源電壓不到50V。電路工作在軟開(kāi)關(guān)條件下幾乎可以完全避免開(kāi)關(guān)損耗，并且S1、S2的吸收電路可以去掉，這樣就簡(jiǎn)化了電路，提高了可靠性。  （a）S1、S2工作在硬開(kāi)關(guān)條件下的vds、vgs（t：4μs/div；vgs：5V/div；vds：50V/div） （b）S1、S2工作在軟開(kāi)關(guān)條件下的vds、vgs(t：2μs/div；vgs：5V/div；vds：10V/div) 圖5 開(kāi)關(guān)管工作波形 5 結(jié)語(yǔ) ?。?）在雙正激電路中增加輔助開(kāi)關(guān)管和輔助諧振網(wǎng)絡(luò)即可實(shí)現(xiàn)主開(kāi)關(guān)管的軟開(kāi)關(guān)，減小了開(kāi)關(guān)損耗，簡(jiǎn)化了保護(hù)、吸收環(huán)節(jié)。 ?。?）輔助開(kāi)關(guān)管工作在硬開(kāi)關(guān)條件下，但由于其工作時(shí)間短，開(kāi)關(guān)損耗不大。 ?。?）該電路可以較大地提高雙正激電路的效率，將其應(yīng)用于航空蓄電池充電機(jī)中取得了較好的效果 |
