CN104135159B - 一种移相全桥变换器的变死区调节控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种移相全桥变换器的变死区调节控制方法，根据移相全桥变换器采集所得的电压、电流参数，能够动态调节给定死区时间，达到不同工况下实现全桥变换器功率器件ZVS的目的，以及实现移相全桥变换器功率器件的软开通与软关断。

Description

一种移相全桥变换器的变死区调节控制方法

技术领域

本发明属于变流器控制技术领域，更为具体地讲，涉及一种用于移相全桥变换器的变死区调节控制方法。。

背景技术

移相全桥变换器是一种在硬开关基础上衍变的软开关全桥拓扑，该拓扑利用功率器件的结电容与谐振电感（一般为变压器的漏感）作为谐振元件，实现全桥电源的原边开关管的零电压导通与关断（Zero voltage Switching，简称ZVS），有效提升电源的整体效率。其实现软开关的时间段是在上下桥臂功率器件的死区时间内通过谐振电感完成功率器件并联结电容的充电与放电。因此，软开关所需时间与谐振电感、谐振电容及负载等参数密切相关。

目前，移相全桥变换器的死区一般采用固定时间控制。文献《死区时问对移相全桥电路ZVS实现的影响》分析了死区时间对移相全桥电路开关过程的影响，提出了与软开关过程相关的几个参数变量，但该文献并未开展变死区调节控制方法的研究。文献《A SimpleSwitching Control Technique for Improving Light Load Efficiency in a Phase-Shifted Full-Bridge Converter with a Server Power System》针对采用副边同步整流的移相全桥拓扑，研究了连续导电模式与断续导电模式切换过程中的变死区调节控制方法，但其研究成果不适用于未采用同步整流技术的常规移相全桥拓扑。

发明内容

本发明的目的在于克服现有方法的缺点，提出一种应用于移相全桥变换器的变死区调节控制方法，根据采集到的电压、电流值，在线调节功率器件的死区时间，达到实现全桥变换器功率器件ZVS的目的。

为实现上述目的，本发明技术方案如下：

一种移相全桥变换器的变死区调节控制方法，其步骤是：

a）控制周期开始，移相全桥变换器采集电压、电流参数；

b）移相全桥变换器的控制器计算不同负载电压、电流情况下，滞后桥臂实现ZVS所需的死区时间的上下限；

c）将滞后桥臂ZVS所需的死区时间的上下限，结合死区限幅环节参数，得到满足限幅环节的时间区间；

d）将满足限幅环节的时间区间上下限约束中的任意数值作为死区时间，实现死区时间的在线动态调节。

e）控制周期结束，回到步骤a），进行新的控制周期的变死区调节控制。

进一步的，步骤a）中的电压为输入直流电压，电流为谐振电感电流、变压器原边电流、变压器副边电流、滤波电感电流、负载电流中的任一一种。

进一步的，步骤a）中所述谐振电感电流、变压器原边电流标记为，变压器副边电流、滤波电感电流、负载电流标记为，和的转换关系按照以下公式计算：

(1)

其中，为输出电流纹波，为开关管的驱动信号占空比，T为驱动信号控制周期，K为变压器原副边匝数比值，Lf为输出滤波电感值，Vo为输出电压值。

进一步的，步骤b）按照公式(2)~(5)计算滞后桥臂ZVS所需的死区时间的上下限：

(2)

其中，公式（2）中为输入直流电压：

(3)

（4）

（5）

公式(3)~(5) 中，~为功率MOS开关管输出结电容，为变压器漏感也成为谐振电感。

进一步的，步骤c）计算满足限幅环节的死区时间区间依据公式（6）：

（6）

其中， 、分别为限幅环节的上下限参数。

进一步的，步骤d）根据公式（7）选取满足上下限约束的任意时间作为死区时间，进行死区时间的动态调节，即：

（7）

其中为步骤c）中所述死区时间区间下限，为步骤c）中所述死区时间区间上限。

本发明的有益效果如下：

本发明提出了一种在线改变移相全桥变换器的死区时间的变死区调节控制方法，通过采集负载电流、输入电压等基本参数，动态调节上下桥臂器件的死区时间，实现不同工况下移相全桥变换器功率器件的软开通与软关断。

附图说明

图1是本发明移相全桥变换器的主电路拓扑图。

图2是本发明滞后桥臂在死区时间内的主要波形示意图。

图3是本发明所述变死区调节控制方法的流程图。

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

图1是本发明的移相全桥变换器的主电路拓扑图。

其中，为输入直流电压，~为功率MOS开关管，~为其反并联二极管，~为功率MOS开关管输出结电容，为变压器漏感也称为谐振电感，TR是输出变压器，为原边绕组寄生电容，其原副边绕组匝数比，、是输出整流二极管，和是输出滤波电感和电容，是负载，是输出电压。

移相全桥变换器利用~与变压器的漏感作为谐振，在一个完整的开关周期中通过谐振实现全桥变换器中的四个开关管的ZVS。

在移相全桥变换器中，由于滞后桥臂比超前桥臂更难实现ZVS，因此此处主要分析在不同负载电流、输入电压等参数情况下，使得滞后桥臂满足ZVS的死区时间调节方法。

对于移相全桥变换器，要实现开关管的ZVS，必须有足够的能量用来：

第一，抽走将要开通的开关管的外部附加电容上的电荷；

第二，给同一桥臂关断的开关管的外部附加电容充电；

第三，考虑到变压器原边绕组电容，还要有一部分能量用来抽走变压器原边绕组寄生电容上的电荷。

滞后桥臂实现ZVS时，其变压器副边是短路的，用来实现ZVS的能量只有谐振电感中的能量，实现ZVS的条件需要满足：

（8）

由式（8）可以求得，实现滞后桥臂ZVS条件的原边的零界电流：

（9）

图2是滞后桥臂在死区时间内的主要波形示意图，分析如下。

、的电压满足：

（10）

时刻关断，此时、、谐振工作，和的电压分别为：

（11）

（12）

其中：

（13）

（14）

（15）

如果要实现的ZVS，则、的驱动信号间的死区时间必须满足：

（16）

根据式（15），如果采用定死区时间进行控制，由于与移相全桥变换器的输入电压、原边电流密切相关，而实际工况下，输入电压与原边是不断变化的，导致某些工作区域死区时间小于实际软开关所需时间，软开关不充分，增加器件开关损耗。因此，必须根据全桥变换器所处的工作状态，进行变死区调节的控制。

时刻，自然导通情况下，副边两个整流管同时导通，变压器原副边绕组电压均为零，电源电压全部加在两端，线性下降：

（17）

根据式（11）、式（15）：

（18）

时刻，从下降到零，、自然关断，、中开始流过电流，由式（17）可得：

（19）

若死区时间过大且大于，则谐振电压会进入下一个LC震荡阶段，严重时会出现开关误导通或关断。因此，、的驱动信号间的死区时间需满足：

（20）

根据式（16）、式（20），要实现滞后桥臂的ZVS，死区时间必须满足：

（21）

即：

（22）

由式（21）可以看出，时段越长，对滞后桥臂实现ZVS越有利，该时段大小与、负载大小、输入电压有关。

现有的文献如《死区时问对移相全桥电路ZVS实现的影响》，通常将谐振周期的1/4作为死区时间，即：

（23）

而实际上，式（22）与式（23）存在如下关系：

（24）

根据式（24），按照式（23）给定的死区时间，能够满足式（22）的下限约束，但是由于与输入电压、原边电流相关，当原边电流较小或输入电压较高时，按照给定的死区时间就可能不满足式（22）的上限约束。为了避免出现这个问题，本专利按照上下限约束的中值动态调节死区时间，即：

（25）

图3是本专利所述变死区调节控制方法的流程图。

由此得到本发明提出的变死区调节控制方法步骤如下：

第一步：当前控制周期开始，获取原边电流大小。该电流可以通过采集谐振电感上的电流或变压器原边电流直接获取，也可通过采集变压器副边上的电流、滤波电感上的电流或负载上的电流，按照下式计算原边电流大小：

其中，为输出电流纹波，为开关管的驱动信号占空比，T为驱动信号控制周期，为变压器原副边匝数比值，为输出滤波电感值，为输出电压值。

第二步：为避免在线调节给定的死区时间过大或过小，对死区时间加入限幅环节，限幅环节的上下限参数分别为：、。上述参数保存在主控单元的存储单元中，且可通过通信设定数值大小；

第三步：根据公式（22）确定当前负载电流、输入电压情况下，实现滞后桥臂ZVS所需的死区时间的上下限；

第四步：根据第二步存储单元中的死区限幅环节参数与第三步的死区时间上下限参数，确定满足限幅环节的死区时间区间：

第五步：记第四步所得的区间下限为，上限为，根据加入限幅环节后的上下限约束的中值，进行死区时间的动态调节，即：

第六步：当前周期结束，回到第一步，进行新的控制周期的变死区调节控制。

对于具体实施方式的理解的描述仅仅是为帮助理解本发明，而不是用来限制本发明的。本领域技术人员均可以利用本发明的思想进行一些改动和变化，只要其技术手段没有脱离本发明的思想和要点，仍然在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种移相全桥变换器的变死区调节控制方法，其特征在于：

a）控制周期开始，移相全桥变换器采集电压、电流参数；

b）移相全桥变换器的控制器计算不同负载电压、电流情况下，滞后桥臂实现ZVS所需的死区时间的上下限；

c）将滞后桥臂ZVS所需的死区时间的上下限，结合死区限幅环节参数，得到满足限幅环节的时间区间；

d）将满足限幅环节的时间区间上下限约束中的任意数值作为死区时间，实现死区时间的在线动态调节；

e）控制周期结束，回到步骤a），进行新的控制周期的变死区调节控制。

2.根据权利要求1所述的一种移相全桥变换器的变死区调节控制方法，其特征在于：步骤a）中的电压为输入直流电压，电流为谐振电感电流、变压器原边电流、变压器副边电流、滤波电感电流、负载电流中的任意一种。

3.根据权利要求2所述的一种移相全桥变换器的变死区调节控制方法，其特征在于：步骤a）中所述谐振电感电流、变压器原边电流标记为，变压器副边电流、滤波电感电流、负载电流标记为， 和 的转换关系按照以下公式计算：

；

其中，为输出电流纹波，为开关管的驱动信号占空比，T为驱动信号控制周期，K为变压器原副边匝数比值，Lf为输出滤波电感值，Vo为输出电压值。

4.根据权利要求3所述的一种移相全桥变换器的变死区调节控制方法，其特征在于：步骤b）计算滞后桥臂ZVS所需的死区时间的上下限所依据的公式为：

；

其中为输入直流电压，~为功率MOS开关管输出结电容，为变压器漏感，并且：

；

；

。

5.根据权利要求4所述的一种移相全桥变换器的变死区调节控制方法，其特征在于：步骤c）计算满足限幅环节的死区时间区间所依据的公式为：

；

其中， 、分别为限幅环节的上下限参数。

6.根据权利要求5所述的一种移相全桥变换器的变死区调节控制方法，其特征在于：步骤d）中选取满足步骤c）中所述公式上下限约束的任意时间作为死区时间，进行死区时间的动态调节，即：

；

其中为步骤c）中所述死区时间区间下限，为步骤c）中所述死区时间区间上限。