Dalam penerapan kendaraan listrik, konverter DC tegangan rendah tinggi (DC / DC) digunakan untuk menggantikan modul generator tegangan rendah asli pada mobil tradisional: catu daya tegangan tinggi kendaraan dikurangi menjadi tegangan rendah 12 V DC ( Atau catu daya 24 V DC). Topologi pengalih tegangan nol jembatan penuh fase-bergeser (ZVS) dapat mewujudkan peralihan lembut tabung daya dengan menggunakan induktansi kebocorannya sendiri atau karakteristik induktansi resonan seri eksternal dan kapasitansi parasit dari tabung sakelar daya untuk resonansi dalam aplikasi catu daya switching daya tinggi dan menengah. Ini memiliki kelebihan dari kontrol sederhana dan tidak perlu sirkuit tambahan tambahan.Ini adalah pilihan topologi yang cocok untuk kendaraan listrik DC / DC; tetapi dioda penyearah sekunder dengan struktur penyearah gelombang penuh sering bekerja dalam keadaan hard-switching. Ketika rangkaian penyearah gelombang penuh adalah pergantian, Muatan yang disimpan di persimpangan PN dari dioda penyearah sepenuhnya tersapu di bawah tekanan balik kerja ganda, dan ada proses pemulihan terbalik; kemudian arus pemulihan balik mengalir melalui induktor resonan seri eksternal dan induktansi kebocoran transformator, dan arah yang setara harus menutup parasit dioda Pengisian kapasitor menghasilkan osilasi besar di kedua ujung dioda penyearah, menghasilkan lonjakan tegangan setidaknya dua kali tegangan operasi, yang memperburuk tegangan tegangan dioda selama operasi dan mempengaruhi efisiensi dan keandalan rangkaian.
Dalam referensi, dioda penjepit sisi primer dapat secara efektif menekan osilasi yang disebabkan oleh induktansi resonansi seri.Metode ini memiliki struktur sederhana dan kehilangan tambahan yang dapat diabaikan; tetapi induktansi kebocoran dari sisi sekunder transformator masih berpartisipasi dalam resonansi, yang masih akan menyebabkan lonjakan tegangan muncul, dan Ini tidak cocok untuk kejadian di mana induktansi kebocoran transformator diganti dengan induktansi resonansi; artikel ini menganalisis dan menghitung proses pembangkitan resonansi selama penyearah dan pergantian gelombang penuh, dan mendapatkan model matematika dari rangkaian ekuivalen dan lonjakan osilasi, yang memberikan teori untuk desain skema penekan osilasi selanjutnya. Dasar; Akhirnya, berdasarkan dioda penjepit sisi primer, sisi sekunder ditambahkan dan metode perhitungan parameter resistansi dan kapasitansi dari rangkaian absorpsi RCD diberikan untuk memenuhi persyaratan tegangan tegangan dioda; dan verifikasi uji prototipe simulasi dan eksperimental oleh Sabre: Objeknya adalah konverter ZVS-DCDC full-bridge penggerak fase 500 W menggunakan penyearah gelombang penuh untuk membandingkan tegangan dioda penyearah sebelum dan sesudah rangkaian absorpsi RCD, tegangan kapasitor dari rangkaian absorpsi, dan bentuk gelombang arus dari dioda penjepit primer; hasil percobaan menunjukkan bahwa RCD digunakan Setelah menyerap rangkaian, secara efektif dapat mengurangi nilai puncak tegangan osilasi sekitar 1/4, dan mengurangi arus dioda penjepit primer sekitar 2/3; analisis dan asumsi yang disebutkan di atas diverifikasi.
1 Analisis dan pemodelan penyebab osilasi
Gambar 1 adalah diagram skema yang disederhanakan dari konverter DC / DC penyearah gelombang penuh yang digunakan pada sisi primer dengan jembatan penuh bergeser fase dan sisi sekunder. Untuk memfasilitasi analisis untuk mengabaikan kapasitansi belok-ke-belok transformator, induktansi parasit dioda dan induktansi kabel menyimpang digabungkan ke dalam induktansi kebocoran transformator, dan induktansi total gabungan yang setara dicatat sebagai Lleak1 dan Lleak2.
Ketika input utama u1 dari transformator sama dengan 0, arus beban pada Lr secara alami terus mengalir, dioda DR1 dan DR2 keduanya dalam keadaan konduksi, dan arus i1 dan i2 mengalir masing-masing; ketika tegangan input u1 hingga 0 naik ke Uin (atau turun ke -Uin), arus yang mengalir melalui dioda yang sesuai DR1 (atau DR2) dengan cepat dikurangi menjadi 0, menyelesaikan proses pergantian. Setelah itu, dioda DR1 (atau DR2) berada dalam proses pemulihan terbalik, dan arus pemulihan balik i1 (atau i2) mengalir melalui induktansi kebocoran dari transformator mengisi kapasitansi parasit CT1 (atau CT2) dari dioda yang dimatikan, dan kapasitor CT1 (atau CT2) dan kebocoran Sense Lleak1 (atau Lleak2) berosilasi, menghasilkan lonjakan tegangan yang besar di DR1 (atau DR2).
Proses pergantian setelah tegangan masukan primer u1 dari transformator naik dari 0 ke Uin dianalisis sebagai objek: ketika u1 naik ke Uin, proses pergantian dimulai, dioda DR1 mulai mati, i1 mulai berkurang, dan i2 mulai meningkat. Besar, DR1 dan DR2 memberikan arus beban pada saat yang sama seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2 (a). Setelah mengubah u1 ke sisi sekunder sesuai dengan rasio putaran K, rangkaian ekivalen yang disederhanakan ditunjukkan pada Gambar 2 (b) dan Gambar 2 (b) Proses pergantian media berlanjut sampai i2 meningkat menjadi sama dengan arus induktor filter keluaran, i1 menurun menjadi nol; filter lintasan rendah LC keluaran secara paralel dengan beban dapat setara dengan sumber arus konstan iLr, iLr dalam waktu yang sangat singkat. Sama dengan i2, untuk mematikan dioda untuk menyelesaikan proses pemulihan terbalik, semua muatan yang disimpan di persimpangan PN harus disapu, i1 dengan cepat dikurangi menjadi nol di bawah tekanan balik kerja ganda, dan kemudian kebalikannya terus meningkat ke nilai maksimum Irm. Proses ini Tegangan uc di CT1 selalu sama dengan nol, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2 (c) dari rangkaian ekuivalen; setelah arus pemulihan balik mencapai nilai puncak Irm, dioda DR1 memasuki keadaan pemblokiran balik (setara dengan Roff secara paralel dengan CT1), dan i1 mulai menurun. Tegangan uc di CT1 mulai naik, induktansi setara Lleak1 dan CT1 mulai beresonansi, dan resistansi pemblokiran dioda dilambangkan sebagai Roff. Karena sumber arus paralel ekuivalen pada Gambar 2 (c) tidak mempengaruhi resonansi berikutnya, maka hal itu diabaikan dan disederhanakan, dll. Sirkuit resonansi efektif ditunjukkan pada Gambar 2 (d).
Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2 (d), induktansi setara Lleak1 dengan arus awal Irm dan kapasitansi parasit dioda CT1 dengan tegangan awal nol beresonansi. CT1 konstan selama resonansi, dan persamaan diferensial berikut diketahui dari karakteristik induktansi dan kapasitansi:
Kondisi untuk proses solusi di atas adalah:
Dapat dilihat dari manual perangkat pabrikan bahwa resistansi pemblokiran dioda sangat besar, dan umumnya dapat memenuhi kondisi di atas.
Analisis amplitudo osilasi tegangan yang muncul di kedua ujung dioda tertutup selama proses di atas: Dapat dilihat dari persamaan (5) dan (10) bahwa lonjakan tegangan setidaknya dua kali tegangan operasi normal muncul di kedua ujung dioda selama resonansi. Empat situasi berikut menyebabkan amplitudo lonjakan osilasi berubah: (1) Ketika tegangan operasi naik, Uin / K akan meningkat tanpa mengubah duty cycle Dari persamaan (10), terlihat bahwa amplitudo osilasi Uct meningkat. (2) Ketika arus operasi bertambah, waktu pemulihan balik menjadi lebih lama, dan arus pemulihan balik Irm menjadi lebih besar. Dari persamaan (10), terlihat bahwa amplitudo osilasi Uct meningkat; (3) Ketika kapasitor CT1 menjadi lebih besar, tunggu Efeknya adalah kapasitansi yang terlibat dalam resonansi menjadi lebih besar, dan amplitudo osilasi Uct dapat dihitung dengan rumus (7), rumus (8), dan rumus (10) menurun; (4) ketika total induktansi kebocoran Lleak1 berkurang, rumus (8) , Persamaan (10) menunjukkan bahwa ketika meningkat, amplitudo osilasi Uct menurun.
Singkatnya, mengurangi induktansi kebocoran dan memilih dioda dengan kapasitansi parasit yang sesuai memiliki efek positif dalam menekan osilasi; sedangkan dalam penerapan arus tinggi dan tegangan tinggi, osilasi di kedua ujung dioda meningkat, yang meningkatkan kerugian dan meningkatkan ketahanan terhadap dioda. Persyaratan voltase harus ditekan dengan pengukuran yang tepat seperti sirkuit dioda penjepit primer atau sirkuit snubber RC / RCD.
2 Analisis langkah-langkah penekanan dan perhitungan parameter RCD
Untuk konverter DCDC penyearah full-bridge / gelombang penuh fase-bergeser, penggunaan dioda penjepit sisi primer dapat dengan lebih baik menekan osilasi dan lonjakan tegangan yang disebabkan oleh induktansi resonan seri: dengan menambahkan dioda penjepit D5 dan D6 ke rangkaian utama transformator, osilasi Ketika itu terjadi, tegangan primer dapat dijepit ke Uin, dan tegangan sekunder dapat dijepit ke Uin / K. Dalam kebanyakan kasus, lonjakan tegangan osilasi dapat ditekan secara efektif dan efisiensi rangkaian dapat ditingkatkan, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3.
Namun, tindakan penekanan ini tidak mempertimbangkan pengaruh induktansi kebocoran transformator itu sendiri.Dalam kasus induktansi kebocoran transformator besar atau penggunaan induktansi kebocoran transformator sebagai induktansi resonan, dioda penjepit tidak dapat menekan osilasi pergantian sisi sekunder; dan tegangan tinggi dan kondisi masukan arus besar Arus konduksi D5 dan D6 yang lebih rendah terlalu besar, panasnya serius, dan dioda penjepit mudah rusak.Oleh karena itu, berdasarkan dioda penjepit yang digunakan pada sisi primer, rangkaian absorpsi RCD ditambahkan ke rangkaian penyearah gelombang penuh untuk menekan osilasi, dan induktansi kebocoran transformator Dalam kasus yang lebih besar, masih dapat memastikan bahwa lonjakan tegangan dioda penyearah tidak melebihi ambang batas.Pada saat yang sama, percobaan telah menunjukkan bahwa arus di dioda penjepit dapat dikurangi dan keandalannya dapat ditingkatkan.
Rangkaian absorpsi RCD yang digunakan ditunjukkan pada Gambar 4. Ketika resonansi terjadi, energi total dalam induktansi bocor Lleak diserap oleh kapasitansi absorpsi eksternal Cs dan kapasitansi parasit dioda CT. Karena Cs umumnya jauh lebih besar daripada CT, sebagian besar induktansi bocor adalah Energi Cs mengalir melalui dioda absorpsi Ds1 (atau Ds2) dan diserap oleh Cs.Tegangan melintasi Cs dengan cepat mencapai puncak tegangan yang diinginkan Naik, dan kemudian energi yang diserap oleh Cs dikonsumsi dengan melepaskan resistor Rs, sehingga tegangan melintasi Cs turun perlahan untuk mencapai penekanan Tujuan osilasi.
Untuk memenuhi persyaratan tegangan tegangan dalam manual perangkat untuk lonjakan tegangan melintasi dioda, tegangan puncak kapasitor absorpsi Cs harus dikurangi sebanyak mungkin; pada saat yang sama, untuk mengurangi energi yang dikonsumsi pada resistor Rs sebanyak mungkin untuk meningkatkan efisiensi, kapasitor Cs dan resistor Rs harus dikurangi. Kondisi berikut ini:
Dalam rumus di atas, nilai induktansi kebocoran Lleak dapat diperoleh dengan pengukuran, dan arus pemulihan balik dapat disediakan oleh manual perangkat.Kapasitansi C yang sesuai dapat dihitung dengan mengatur nilai puncak tegangan yang diharapkan Naik di kedua ujung kapasitor penyerap.
Menurut rumus pelepasan kapasitor:
Pada rumus di atas, Uout adalah tegangan keluaran rata-rata konverter, dan waktu pelepasan kapasitor t dapat diperoleh sesuai dengan frekuensi operasi dan duty cycle Singkatnya, resistansi rangkaian RCD dan parameter kapasitansi dapat dihitung dengan rumus (12) hingga (14).
3 Analisis hasil
Untuk memverifikasi kebenaran model matematika di atas dan kelayakan metode perhitungan parameter rangkaian absorpsi RCD, percobaan dilakukan pada perangkat lunak simulasi Sabre dan prototipe yang dibangun. Topologi konverter DC / DC yang dirancang dalam makalah ini adalah penyearah gelombang penuh sisi primer fase-shifted jembatan penuh / sisi sekunder.Parameter rangkaian adalah sebagai berikut: daya pengenal 500 W, masukan pengenal 380 VDC / 1,32 A, keluaran pengenal 12 V / 42 A, Induktor resonan eksternal 22 H, frekuensi switching 100 kHz; Parameter rangkaian RCD: Rs adalah 500 , Cs adalah 220 nF.
Gambar 5 menunjukkan perbandingan bentuk gelombang tegangan dioda penyearah sebelum dan sesudah rangkaian RCD pada simulasi Sabre, terlihat dari gambar bahwa nilai puncak tegangan resonansi berkurang dari 82,5 V menjadi 52,4 V setelah rangkaian absorpsi RCD digunakan, yaitu sekitar 37% turun.
Gambar 6 menunjukkan perbandingan bentuk gelombang arus konduksi dioda klem sisi primer yang diperoleh melalui simulasi Sabre.Dari gambar tersebut, terlihat bahwa nilai puncak arus konduksi yang sesuai turun dari 0,305 A menjadi 0,1 A, penurunan sekitar 2/3, yang jelas dapat meningkatkan pemanasan dioda penjepit. , Untuk meningkatkan keandalannya.
Pada saat yang sama, di lingkungan prototipe, ketika beban keluaran adalah 12 V / 10 A, bentuk gelombang tegangan dioda penyearah dan tegangan melintasi kapasitor penyerap Cs sebelum dan sesudah rangkaian RCD diukur seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7 dan Gambar 8. Perbandingan menunjukkan bahwa lonjakan tegangan sebelum dan sesudah rangkaian RCD digunakan. 58 V dikurangi menjadi 46,7 V, pengurangan 24,1%, secara efektif menekan resonansi yang disebabkan oleh induktansi kebocoran transformator itu sendiri.
Dapat dilihat dari Gambar 8 bahwa tegangan tertinggi kapasitor absorpsi Cs pada kondisi tunak adalah 48,8 V, dan tegangan terendah adalah 42,4 V, yang secara efektif dapat menjepit tegangan melintasi dioda penyearah dan memenuhi persyaratan tegangan tegangan dioda penyearah.
Dengan membandingkan arus konduksi dioda penjepit primer pada Gambar 6, rangkaian absorpsi RCD yang dirancang dapat sangat mengurangi arus konduksi dioda penjepit primer dan secara efektif meningkatkan pemanasan parah dioda penjepit di bawah kondisi arus tinggi dan tegangan tinggi. Pada saat yang sama, dapat diperoleh dari analisis tegangan yang melintasi dioda dan bentuk gelombang tegangan dari kapasitor absorpsi.Bahkan jika dioda penjepit digunakan pada sisi primer, pengaruh induktansi resonansi seri pada resonansi dapat dikurangi, tetapi tegangan yang melintasi dioda penyearah akan tetap memiliki tegangan yang besar. Puncak; setelah mengadopsi rangkaian absorpsi RCD, lonjakan tegangan di kedua ujung dioda penyearah dapat dikurangi sekitar 1/4, yang secara efektif menekan pengaruh induktansi kebocoran transformator pada lonjakan tegangan berosilasi, sangat meningkatkan tegangan tegangan di bawah kondisi kerja dioda penyearah, dan menekan Osilasi memiliki efek positif yang sangat baik.
4. Kesimpulan
Makalah ini pertama-tama menganalisis mekanisme dan proses osilasi dalam proses pergantian topologi ZVS jembatan penuh fase-bergeser menggunakan penyearah gelombang penuh di sisi sekunder, dan menetapkan rangkaian ekuivalen dan model matematisnya untuk membangun dasar teoritis untuk penekanan selanjutnya dari langkah-langkah osilasi; Menganalisis keuntungan dan kerugian dari dioda penjepit sisi primer umum untuk menekan osilasi Atas dasar ini, diusulkan untuk menambahkan rangkaian absorpsi RCD untuk membuat rangkaian sesuai untuk aplikasi dengan induktansi kebocoran transformator besar, dan proses perhitungan rinci parameter rangkaian RCD diberikan; Percobaan dilakukan pada perangkat lunak simulasi Sabre dan platform prototipe 500 W masing-masing untuk memverifikasi kebenaran model yang disebutkan di atas dan kelayakan metode perhitungan: rangkaian absorpsi RCD yang dirancang dapat sangat mengurangi arus dioda penjepit primer, dan pada saat yang sama Menekan osilasi dan lonjakan tegangan memiliki efek positif yang sangat baik.
referensi
Yang Zhihua Lonjakan tegangan dan hilangnya pemulihan balik dioda dalam catu daya switching Teknologi daya komunikasi, 1998 (12): 5-8.
FATHY K. Konverter DC / DC jembatan penuh PWM peralihan lunak baru dengan snubber resonansi kapasitor tepi paralel-paralel seri busline yang dibantu oleh induktor induktor kebocoran frekuensi tinggi.Proses CES / IEEE 5th International Power Electronics and Motior Control Conference, 2006.
Ruan Xinbo, Yan Yangguang. Teknologi pengalihan lunak catu daya switching DC. Beijing: Science Press, 2000.
Liu Shenyue, Wang Shuqiang, Wang Liwei, dll. DC / DC converter output penyearah jembatan analisis mekanisme osilasi parasit dan penekanan Power Electronics Technology, 2009, 43 (10): 83-85.
Pi Zhijun Penindasan osilasi parasit jembatan penyearah konverter ZVS jembatan penuh fase-bergeser Power World, 2006 (6): 1-4.
Chen Qianhong, Yin Lanlan, Wang Jian, dkk. Konverter DC / DC jembatan penuh fase-bergeser yang dijepit oleh dioda dan transformator arus. Prosiding Masyarakat Cina untuk Teknik Listrik, 2008 (15): 23-31.
Zhang Wubin, Lu Guofang.Penelitian tentang lonjakan tegangan dan osilasi dioda penyearah jembatan penuh bergeser fase. Teknik Desain Elektronik, 2016, 24 (1): 191-193.
informasi penulis:
He Dewei, Shi Chun, Wu Gang
(Sekolah Sains dan Teknologi Informasi, Universitas Sains dan Teknologi Cina, Hefei 230026, Anhui)
- Penelitian tentang teknologi transmisi daya nirkabel berdasarkan rangkaian penyearah semi-terkontrol
- Kemenangan pertama! Tianhai 3-2 tandang memenangkan sepuluh orang Shenhua, Alan menang dengan sundulan
- [Makalah akademik] Algoritma jaringan saraf yang diawasi dan desain sirkuit berdasarkan karakteristik memristive