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大功率AC/DC開(kāi)關(guān)電源之工程設(shè)計(jì)(二):無(wú)源鉗位移相全橋電路

在通信行業(yè)、電力行業(yè)、工業(yè)、軍工、航空航天等領(lǐng)域,都廣泛應(yīng)用大功率AC/DC高頻開(kāi)關(guān)電源。單機(jī)功率從幾百瓦至幾百千瓦,智能化、n+1冗余模式、高效高功率密度、全數(shù)字化等是其顯著之特點(diǎn)。

在論壇上看到一些大功率AC/DC電源的工程設(shè)計(jì)求助帖,如拓?fù)湓鯓舆x擇?高頻變壓器如何設(shè)計(jì)?環(huán)路的調(diào)試......  鑒于此,試著從Saber仿真到工程設(shè)計(jì)實(shí)例來(lái)闡述相關(guān)拓?fù)涞脑砗吞攸c(diǎn),內(nèi)容包括如下:

開(kāi)關(guān)電源工程設(shè)計(jì)步驟之我見(jiàn)

http://bbs.dianyuan.com/topic/1054843

大功率AC/DC開(kāi)關(guān)電源之工程設(shè)計(jì)(一):有源鉗位全橋電路

http://bbs.dianyuan.com/topic/1055267

大功率AC/DC開(kāi)關(guān)電源之工程設(shè)計(jì)(二):無(wú)源鉗位移相全橋電路

大功率AC/DC開(kāi)關(guān)電源之工程設(shè)計(jì)(三):倍流整流移相全橋電路

大功率AC/DC開(kāi)關(guān)電源之工程設(shè)計(jì)(四):VF/LLC-SRC全橋電路

大功率AC/DC開(kāi)關(guān)電源之工程設(shè)計(jì)(五):CF/LLC-SRC全橋電路

...

由于個(gè)人水平和能力的限制,錯(cuò)誤和不妥之處,敬請(qǐng)修改、補(bǔ)充完善;同時(shí),請(qǐng)大家共同參與探討和交流,達(dá)到共同進(jìn)步之目的。

2. 大功率AC/DC開(kāi)關(guān)電源之工程設(shè)計(jì)(二):無(wú)源鉗位移相全橋電路

      有源鉗位全橋電路抑制了副邊整流管反向恢復(fù)所致的尖峰和振蕩(換言之,即實(shí)現(xiàn)了副邊整流管的“軟開(kāi)關(guān)”),但橋臂功率器件仍在硬開(kāi)關(guān)環(huán)境下工作(即未實(shí)現(xiàn)ZVS、ZCS等軟開(kāi)關(guān)),隨著市場(chǎng)對(duì)電源的效率、功率密度等指標(biāo)不斷地提高,在工程設(shè)計(jì)中,開(kāi)關(guān)頻率fs也不斷地提升,由于功率器件的開(kāi)關(guān)損耗與開(kāi)關(guān)頻率成正比,這使得在大功率應(yīng)用中硬開(kāi)關(guān)全橋電路越來(lái)越難于勝任了(即“捉襟見(jiàn)肘”了)。為了解決高頻下橋臂功率器件的開(kāi)關(guān)損耗,出現(xiàn)了多種ZVS、ZCS等軟開(kāi)關(guān)拓?fù)洌葡嗳珮螂娐芳词瞧渲兄?。在工程中,?yīng)用較多較成熟的有如下幾種:(1)無(wú)源鉗位移相全橋電路一;(2)無(wú)源鉗位移相全橋電路二;(3)有源鉗位移相全橋電路;(4)還有一種-即有限雙極控制ZVZCS電路,不知算不算移相全橋的范疇,還請(qǐng)大家定論。(詳細(xì)原理請(qǐng)參閱阮新波老師的《三電平直流變換器及其軟開(kāi)關(guān)技術(shù)》、《脈寬調(diào)制DC/DC全橋變換器的軟開(kāi)關(guān)技術(shù)》第二版等書(shū)籍和其他相關(guān)文檔)

    鑒于移相全橋電路博大精深,也由于個(gè)人水平和能力的限制,特邀請(qǐng)我的朋友---張工(網(wǎng)名zcyzvs)一起來(lái)同大家探討。


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fugems
LV.5
2
2013-08-16 09:27

以下是DC/DC部分的原理簡(jiǎn)圖:

 無(wú)源鉗位移相全橋電路簡(jiǎn)圖(一):

 

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LV.5
3
2013-08-16 09:29
@fugems
以下是DC/DC部分的原理簡(jiǎn)圖: 無(wú)源鉗位移相全橋電路簡(jiǎn)圖(一):[圖片] 

(1)無(wú)源鉗位移相全橋電路(一)

     特點(diǎn)簡(jiǎn)述:由于原副邊同時(shí)增加了鉗位電路,副邊整流管上的尖峰和振蕩得到大幅地抑制,EMI改善、效率提升等等。在工程應(yīng)用中,由于變壓器漏感、電路分布參數(shù)等的存在,其抑制效果與有源鉗位、諧振“雙軟”電路等相比,還是有明顯的差距,同時(shí)滯后橋臂ZVS范圍也較窄。

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LV.5
4
2013-08-16 09:36

無(wú)源鉗位移相全橋電路簡(jiǎn)圖(二)

 

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LV.5
5
2013-08-16 09:37
@fugems
無(wú)源鉗位移相全橋電路簡(jiǎn)圖(二)[圖片] 

(2)無(wú)源鉗位移相全橋電路二

特點(diǎn)簡(jiǎn)述:其中L1為耦合電感。由于原副邊同時(shí)增加了鉗位電路,副邊整流管上的尖峰和振蕩得到大幅地抑制,EMI改善、效率提升等等。在工程應(yīng)用中,由于變壓器漏感、電路分布參數(shù)等的存在,其抑制效果與有源鉗位、諧振“雙軟”電路相比,還是有明顯的差距,同時(shí)滯后橋臂ZVS范圍也較窄。

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LV.5
6
2013-08-16 09:43

有源鉗位移相全橋電路簡(jiǎn)圖:

 

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LV.5
7
2013-08-16 09:44
@fugems
有源鉗位移相全橋電路簡(jiǎn)圖:[圖片] 

(3)有源鉗位移相全橋電路

     特點(diǎn)簡(jiǎn)述:由于副邊增加了有源鉗位電路,抑制了副邊整流管上的尖峰和振蕩,同時(shí)實(shí)現(xiàn)了原邊滯后橋臂的ZCS軟開(kāi)關(guān),EMI改善、效率大幅提升等等。在工程應(yīng)用中,與諧振“雙軟”電路相比,增加了電路的復(fù)雜性。

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LV.5
8
2013-08-16 09:47

有限雙極控制ZVZCS電路簡(jiǎn)圖:

 


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2013-08-16 09:48
認(rèn)真聽(tīng)講
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LV.5
10
2013-08-16 09:48
@fugems
有限雙極控制ZVZCS電路簡(jiǎn)圖:[圖片] 

(4)有限雙極控制ZVZCS電路

       特點(diǎn)簡(jiǎn)述:其中T1、T2構(gòu)成互補(bǔ)橋臂,T3、T4構(gòu)成調(diào)寬橋臂;互補(bǔ)橋臂實(shí)現(xiàn)ZCS,調(diào)寬橋臂實(shí)現(xiàn)ZVS。這種架構(gòu)更適合于IGBT作為橋臂功率器件,在焊接電源等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但工程應(yīng)用中,副邊整流管上的尖峰和振蕩沒(méi)有得到較好的抑制。

(待續(xù))

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LV.5
11
2013-08-16 10:01
@fly
認(rèn)真聽(tīng)講
還請(qǐng)fly兄多指教!
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LV.5
12
2013-08-19 10:50
@fugems
以下是DC/DC部分的原理簡(jiǎn)圖: 無(wú)源鉗位移相全橋電路簡(jiǎn)圖(一):[圖片] 

下面是無(wú)源鉗位移相全橋電路(一) 原理簡(jiǎn)圖的PDF文檔:

無(wú)源鉗位移相全橋電路一 

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LV.5
13
2013-08-19 10:52
@fugems
無(wú)源鉗位移相全橋電路簡(jiǎn)圖(二)[圖片] 

下面是 無(wú)源鉗位移相全橋電路(二) 原理簡(jiǎn)圖的PDF文檔:

無(wú)源鉗位移相全橋電路二 

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LV.5
14
2013-08-19 10:52
@fugems
有源鉗位移相全橋電路簡(jiǎn)圖:[圖片] 

下面是 有源鉗位移相全橋電路 原理簡(jiǎn)圖的PDF文檔:

有源鉗位移相全橋電路 

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LV.5
15
2013-08-19 10:57
@fugems
有限雙極控制ZVZCS電路簡(jiǎn)圖:[圖片] 

下面是 有限雙極控制ZVZCS電路  原理簡(jiǎn)圖的PDF文檔:

有限雙極控制ZVZCS電路 

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LV.5
16
2013-08-19 10:59

以3KW電力電源為例,基本參數(shù)如下:

1. 主動(dòng)PFC部分

    Ui=285Vac—475Vac

    Ud=750Vdc

     fd=65KHz

     η1=97.5%
?2. DC/DC變換器部分

    Vo=198Vdc—286Vdc

     Io=0-11A

     fo=65KHz

     η2=94.5%

整機(jī)效率 η= η1* η2=92.1%

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LV.5
17
2013-08-19 11:00

下圖是DC/DC部分Saber仿真的原理簡(jiǎn)圖:

 

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LV.5
18
2013-08-19 11:06
@fugems
下圖是DC/DC部分Saber仿真的原理簡(jiǎn)圖:[圖片] 

上圖中是較完整的PS-FBC仿真電路,某些參數(shù)需要有興趣的朋友自己加上,若有疑問(wèn),可以共同討論。

下面是DC/DC部分Saber仿真電路 的PDF文檔:

PS-FBC 

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LV.5
19
2013-08-19 11:11

下圖是Ua、Ub、Uc和Ud仿真圖一(0-50mS):

  

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LV.5
20
2013-08-19 11:13
@fugems
下圖是Ua、Ub、Uc和Ud仿真圖一(0-50mS):[圖片]  

下圖是Ua、Ub、Uc和Ud仿真圖二(28.5mS-28.55mS):

 

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LV.5
21
2013-08-19 11:16
@fugems
下圖是Ua、Ub、Uc和Ud仿真圖一(0-50mS):[圖片]  

下面是Ua、Ub、Uc和Ud仿真圖一 和圖二的PDF文檔:

PS-FBC1(1) 

PS-FBC1(2) 

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LV.5
22
2013-08-19 11:18

下圖是輸出電壓Vo仿真圖(0-50mS):

 

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LV.5
23
2013-08-19 11:19
@fugems
下圖是輸出電壓Vo仿真圖(0-50mS):[圖片] 

下面是輸出電壓Vo仿真圖的PDF文檔:

PS-FBC1(3) 

(待續(xù))

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LV.5
24
2013-08-19 11:23
@fugems
下圖是Ua、Ub、Uc和Ud仿真圖一(0-50mS):[圖片]  

下圖是Ua和Ub、Uc和Ud之間死區(qū)時(shí)間Td仿真圖(28.5mS-28.55mS):

 

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LV.5
25
2013-08-19 11:25
@fugems
下圖是Ua和Ub、Uc和Ud之間死區(qū)時(shí)間Td仿真圖(28.5mS-28.55mS):[圖片] 

從上圖可知,Ua和Ub、Uc和Ud之間死區(qū)時(shí)間Td 約為350nS,符合工程應(yīng)用的要求。

注意:PS-FBC中死區(qū)時(shí)間Td的選擇,還與橋臂功率MOS實(shí)現(xiàn)ZVS有一定的關(guān)系,需要考慮。

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LV.5
26
2013-08-19 11:33
@fugems
下圖是Ua和Ub、Uc和Ud之間死區(qū)時(shí)間Td仿真圖(28.5mS-28.55mS):[圖片] 

下面是Ua和Ub、Uc和Ud之間死區(qū)時(shí)間Td仿真圖的PDF文檔:

PS-FBC1(7) 

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fly
27
2013-08-19 11:39
@fugems
[圖片]還請(qǐng)fly兄多指教!
能否詳細(xì)講講電路的工作原理,開(kāi)關(guān)時(shí)序?
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fugems
LV.5
28
2013-08-19 11:48
@fly
能否詳細(xì)講講電路的工作原理,開(kāi)關(guān)時(shí)序?
詳細(xì)原理請(qǐng)fly兄 參閱阮新波老師的《三電平直流變換器及其軟開(kāi)關(guān)技術(shù)》、《脈寬調(diào)制DC/DC全橋變換器的軟開(kāi)關(guān)技術(shù)》第二版等書(shū)籍和其他相關(guān)文檔,他們是專家、教授,說(shuō)得更嚴(yán)謹(jǐn)和準(zhǔn)確。
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LV.5
29
2013-08-20 09:17

下圖是輸出電壓Vo、原邊電流Ip和Ua-Ub、Ua1-Ub1仿真圖一(0-50mS):

 

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LV.5
30
2013-08-20 09:19
@fugems
下圖是輸出電壓Vo、原邊電流Ip和Ua-Ub、Ua1-Ub1仿真圖一(0-50mS):[圖片] 

下圖是輸出電壓Vo、原邊電流Ip和Ua-Ub、Ua1-Ub1仿真圖二(28.5mS-28.55mS):

 


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LV.5
31
2013-08-20 10:01
@fugems
下圖是輸出電壓Vo、原邊電流Ip和Ua-Ub、Ua1-Ub1仿真圖二(28.5mS-28.55mS):[圖片] 

       從展開(kāi)圖中可以得知,原邊橋臂電壓Ua-Ub的波形中有一個(gè)凸起(紅色圈內(nèi)部分)。我相信,多數(shù)第一次做移相全橋的朋友都可能遇到過(guò)這樣的問(wèn)題,且為解決它而頗費(fèi)周折。對(duì)于此問(wèn)題的成因,應(yīng)該是LC諧振回路的諧振周期太短、死區(qū)時(shí)間選擇太大等因素所致。為此應(yīng)做相應(yīng)地增加LC諧振回路的周期、減小死區(qū)時(shí)間等處理方法。

       增加LC諧振回路的諧振周期可以加大諧振電感Lr、加大諧振電容Cr及同時(shí)加大諧振電感Lr和諧振電容Cr等選擇;這里有一個(gè)折中考慮的問(wèn)題,不能過(guò)度,是PS-FBC存在占空比丟失、滯后橋臂實(shí)現(xiàn)ZVS的范圍較窄等不足之由。

       就增加LC諧振回路的諧振周期作如下分析:

        1.  加大諧振電感Lr,可以增加LC諧振回路的諧振周期、使滯后橋臂實(shí)現(xiàn)ZVS的范圍變寬,但同時(shí)占空比丟失也增加,需要折中考慮;

        2.  加大諧振電容Cr,可以增加LC諧振回路的諧振周期,但使滯后橋臂實(shí)現(xiàn)ZVS的范圍變得更窄,增加滯后橋臂容性開(kāi)通損耗,需要折中考慮。

        3.  基于此,個(gè)人的思路是首先確定占空比丟失的取值,這樣就可以確定諧振電感Lr的最大取值,最后再確定諧振電容Cr的取值。

       還有超前橋臂的關(guān)斷損耗,會(huì)在后面帖中說(shuō)到。

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