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死区时间的作用主要在于两点:
1)通过上下开关的时间差防止了 H 桥直通问题。
2)为开关两端的缓冲电容提供一个充放电时间,来实现开关的零电压开通(ZVS)以降低传输功率过程中的损耗,提高传输效率。
现在注重死区分析的很大一部分原因是现在开关频率上去了,以前占开关周期2%,现在有的实验样机(500K)里面能占到0.15~0.2了。
死区时间四状态分析:
以DAB中S3、S6、S7导通为例进行分析:
第一阶段:0<t<TC,t=0时刻,S2关断,这时候进入死区时间。电感L与缓冲电容C1、C2发生共振,这一阶段过程中,电感L对缓冲电容C1放电,对缓冲电容C2充电,直至TC时刻完成对缓冲电容的充放电过程。
第二阶段:TC <t< T1,t= TC时刻,缓冲电容C1、C2完成充放电过程,若死区时间还未结束,则S1仍保持关断,此时电流通过二极管续流,电感L被VCD钳位,电感电流iL保持上升直至T1时刻,电感电流上升到0。
第三阶段:T1 <t< T2,t= T1时刻,电感电流由负变正,电感L与缓冲电容C1、C2再次发生共振,但是这一阶段,电感L对缓冲电容C1充电,对缓冲电容C2放电,与第一阶段相反,直至T2时刻再次完成缓冲电容的充放电过程。
第四阶段:T2 <t< T3,t= T2时刻,电容完成充放电后,由于此刻电流正向流通,通过S2的二极管续流,故电感电压再次被钳位,电流开始降低,直至T3时刻,电感电流降为0。
若死区仍未结束,则在接下来的死区时间内,电感电流iL和S1、S2的缓冲电容电压将不断重复上述四个过程,直至死区时间结束。
按照上述死区时间进行分析,当死区时间Tdead保持在第二阶段,即TC <t< T1时可以实现开关管的零电压导通。为尽可能避免额外损耗,在保证ZVS的前提下,缩短死区时间总是可行的。
死区时间计算:
死区时间计算的核心方程:
为什么是这个方程,很简单,通过Vab和Vcd它可以判断开关状态。
以SPS为例
当S2、S3从开通转为关断进入死区的那一阶段。
同样的判断Vcd
然后判断电感电流,这时候,是要对S2、S3进行充电,对S1、S4放电。一定要注意电感电流的参考方式,在SPS中不明显,但是TPS计算中要是不注意很容易有问题。
同时对C1放电,对C2充电,对点A进行KCL,有:
然后就是列方程计算了,根据微分方程进行求解,然后代入初值也就行了。
最后化简出来是这样子的表达式,微分方程要是都不会求的话搜一下把,我就不细说了。
电流和电压可以用A1sin(wt)+A2cos(wt)的表达式。
也可以用Asin(wt+x)的形式,我觉得还是后者好。
我们要注意电流公式中的移相角
这里大家要明白,缓冲电容往往是PF基本的,很小,L>>C,所有这个角度要么近似是90°要么近似是-90°,这也就跟大家说明死区的最大时间:
能量充放电完成的时间,也就是Tmax,也就是死区的最大时间,最大就是谐振周期的1/4.一旦超过了这个时间,电流变相了,之前死区的阶段分析中就变成了第三阶段。
死区的最小时间:
电压公式变为对应的数值,例如C1放电,那么Uc1(Tc)=0时刻放电结束,
如果C1充电,那么Uc1(Tc)=Vin时刻充电结束,
对应的Tc就是Tmin,也就是上面死区第一阶段结束时刻。
这里大家可能还有一个问题,如果Tmax<Tmin怎么办,也就是电流要变相了,但是电压还没降到0怎么办,死区时间取Tmax就行,因为电流换相了之后,充放电又反过来了,在现在的时刻虽然没有办法实现ZVS,但是也尽可能的降低了开关损耗了,所以选这个时刻就好了。
总结一下:
在计算死区时间时,针对不同的开关状态要优先确认Vab、Vcd、iL。
由于TPS调制中工况的复杂性造成的各个时刻的开光状态和电流初始值不一定相同,因此桥臂开关管的死区时间均需单独计算。
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