一种宽输入ZVZCS变模式直流变换器设计

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随着各国对节能减排的重视,新能源发电、电动汽车等行业迅速发展。变换器在很多场合应用时,需要适应很宽的输入电压范围。例如,电动汽车车载直流变换器的输入电压范围为200~450V。这对传统的变换器提出了更高的要求,需要其在宽输入情况下稳定、高效、可靠地工作。然而,大多数移相全桥ZVZCS(Zero Voltage and Zero Current Switching)变换器拓扑并不适用于工作在宽输入电压的条件下。本文提出了一种电动汽车用新型宽输入ZVZCS变模式变换器。该新型宽输入ZVZCS变模式变换器可以看做是ZVZCS全桥变换器和ZVZCS半桥变换器的组合。通过改进传统ZVZCS全桥变换器的输入电路结构,增加了两个低压开关管和两个高压输入电容,使变换器具有了两种工作模式—全桥模式、半桥模式。在输入电压从小变大的过程中,该变换器从全桥模式切换到半桥模式。通过上述控制策略,有效解决了ZVZCS全桥变换器在输入电压变化较大时出现的控制精度降低、电流应力变大的问题。该变换器既保留了ZVZCS全桥变换器低导通损耗的优点,又实现了相较于ZVZCS全桥变换器更宽的输入电压范围。此外,全桥模式和半桥模式虽然控制策略不同,但是变压器次级侧电路的工作过程完全相同。这大大简化了对变压器次级侧电路的设计。该变压器在宽输入电压范围内能实现超前桥臂的ZVS(zero voltage switching)和滞后桥臂的ZCS(zero current switching)。文中首先介绍了一种新型宽输入ZVZCS变模式变换器的拓扑结构,分析了其所采用的控制策略,对其工作原理进行了详细分析。然后参考Buck电路的小信号模型建立方法,建立了ZVZCS全桥变换器的小信号模型,使用伯德图法进行了闭环设计,并分析了ZVZCS全桥变换器在宽输入电压应用时的局限性。之后,对变换器的参数进行了设计。最后,搭建了一台输入电压为60~240V,输出为24V/5A的实验样机对所提电路拓扑及控制策略的正确性进行了实验验证。
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