大功率AC/DC开关电源之工程设计之有源钳位全桥电路——仿...

大功率AC/DC开关电源之工程设计之有源钳位全桥电路

——仿真波形展示

作者：fugems
副边有源钳位之目的主要是抑制副边整流管反向恢复所致的尖峰和振荡（其成因请参阅阮新波老师的《三电平直流变换器及其软开关技术》、《脉宽调制DC/DC全桥变换器的软开关技术》第二版 书籍和其他相关文档），同时把此能量提供给负载；（当然，在有源钳位移相全桥拓扑中，还能实现滞后臂的ZCS软开关）由于副边整流管的尖峰和振荡几乎消失，这样可以选择耐压更低的整流管，使得整机效率比普通全桥电路要高几个百分点，同等功率下体积和重量缩小，稳定性和可靠性大大提高等等，总之整机的性价比得到大幅地提升。
下图是DC/DC部分的原理简图：


下图是Ua、Ub和Uab的时序图：


其中Ua和Ub为PWM控制IC输出的对称信号；
Uab为通过对Ua、Ub进行处理得到的有源钳位控制信号，其脉宽宽度为500nS左右。
接下来是Saber仿真信号。以3KW电力电源为例，基本参数如下：
1主动PFC部分Ui=285Vac—475Vac
Ud=750Vdc
fd=65KHz
η1=97.5%
2DC/DC变换器部分Vo=198Vdc—286Vdc
Io=0-11A
fo=95KHz
η2=94.5%
整机效率 η= η1* η2=92.1%
下图是DC/DC部分Saber仿真的原理简图：


仿真图中PWL设置为（0m,100；20m，100；20.015m，28；30m，28；30.015m，100）；
这样设置，可以一次把 动态响应 都测试出来了。
下图是Ua、Ub和Uab仿真图一（0-50mS）：


下图是Ua、Ub和Uab仿真图二（28.5-28.55mS）：

从上图可知，有源钳位控制信号Uab的脉宽宽度约为310nS，符合工程应用的要求。
下图是输出电压Vo仿真图（0-50mS）：

从图中可知，输出电压约为254.0V，即18节阀控铅酸电池（单节电池额定电压为12.0V）的均充电压。
下图是输出电压Vo、原边电流Ip和Ua1-Ub1、Ua2-Ub2仿真图（0-50mS）：


下图是输出电压Vo、原边电流Ip和Ua1-Ub1、Ua2-Ub2仿真图（28.5-28.55mS）：

从展开图中可以得知，高频变压器副边的电压波形中最高点约为342.8V，平坦区约为332.5V；两者之间仅差342.8-332.5=10V左右，可见有源钳位电路抑制副边整流管反向恢复所致的尖峰和振荡之效果很理想。220V电力电源模块中，副边高频整流管选用耐压600V的已完全满足工程要求。在无源钳位移相全桥中是不容易做到的，一般都需要选用耐压为1000V或1200V的高频整流管。其中，Ua1-Ub1为桥臂两端的电压波形，Ua2-Ub2为高频变压器副边两端的电压波形。
从上图的原边电流波形中可得：
1最大值为+19.0A和-18.8A； 2轻载时(2.5A负载电流)为+2.0A和-2.3；3重载时(9.0A负载电流)为+7.4A和-7.5A。由此可知，软启动阶段桥臂功率MOS和副边高频整流管的电流应力远远大于重载或满载。
下图是输出电压Vo、原边电流Ip和Vo1、Co1仿真图（28.5-28.55mS）：

其中，Vo1为高频整流后的电压波形，Co1为钳位电容C4两端的电压波形。

下图是流过钳位电容电流Im和Co1-Vo1仿真图（0-55mS）：


从上图的钳位功率MOS两端电压波形中可得：
1最大值为385.2V；2轻载时(2.5A负载电流)为337.5V； 3重载时(9.0A负载电流)为349.5V。 由此可知，软启动阶段钳位功率MOS的电压应力大于重载或满载。在工程中选择钳位功率MOS时以此为依据。
从上图的钳位电容电流波形中可得：1 最大值为+1.5A和-32.2A；2轻载时(2.5A负载电流)为+0.25A和-0.37；3重载时(9.0A负载电流)为+0.72A和-3.4A。由此可知，软启动阶段钳位功率MOS的电流应力远远大于重载或满载。在工程中选择钳位功率MOS时以此为依据。
下图是Co1、Vo1和Co1-Vo1仿真图(0-55mS)：



下图是Co1、Vo1和Co1-Vo1仿真图(28.5-28.55mS)：


其中，Co1-Vo1为钳位功率MOS T5两端的电压波形。