一種新穎的ZVZCSPWM全橋變換器

摘要：提出了一種新穎的零電流零電壓開關(guān)（ZCZVS）PWM全橋變換器，通過增加一個輔助電路的方法實現(xiàn)了變換器的軟開關(guān)。與以往的ZCZVSPWM全橋變換器相比，所提出的新穎變換器具有電路結(jié)構(gòu)簡單、整機效率高以及電流環(huán)自適應調(diào)整等優(yōu)點，這使得它特別適合高壓大功率的應用場合。詳細分析了該變換器的工作原理及電路設(shè)計，并在一臺功率為4kW，工作頻率為80kHz的通信用開關(guān)電源裝置上得到了實驗驗證。

關(guān)鍵詞：全橋變換器；零電壓開關(guān)；零電流開關(guān)；軟開關(guān)；脈寬調(diào)制

0 引言

移相全橋零電壓PWM軟開關(guān)（PS-FB-ZVS）變換器與移相全橋零電壓零電流PWM軟開關(guān)（PS-FB-ZVZCS）變換器是目前國內(nèi)外電源界研究的熱門課題，并已得到了廣泛的應用。在中小功率的場合，功率器件一般選用MOSFET，這是因為MOSFET的開關(guān)速度快，可以提高開關(guān)頻率，采用ZVS方式，就可將開關(guān)損耗減小到較為理想的程度[1]。而在高壓大功率的場合，IGBT更為合適。但IGBT的最大的缺點是具有較大的開關(guān)損耗，尤其是由于IGBT的“拖尾電流”特性，使得它即使工作在零電壓情況下，關(guān)斷損耗仍然較大，要想在ZVS方式下減少關(guān)斷損耗，則必須加大IGBT的并聯(lián)電容。然而由于輕載時ZVS很難實現(xiàn)（滯后臂的ZVS更難實現(xiàn)），因此ZVS方案對于IGBT來說并不理想。若采用常規(guī)的移相全橋軟開關(guān)變換器，其優(yōu)點是顯而易見的，即功率開關(guān)器件電壓、電流額定值小，功率變壓器利用率高等，但是它們卻也存在著各種各樣的缺點：有的難以適用于大功率場合；有的要求很小的漏感；有的電路較為復雜且成本很高[2][3][4][5][6]。

本文提出了一種新穎的ZVZCS PWM全橋變換器，它能有效地改進以往所提出的ZVZCS PWM全橋變換器的不足。這種變換器是在常規(guī)零電壓PWM全橋變換器的次級增加了一個輔助電路，此輔助電路的優(yōu)點在于沒有有損元件和有源開關(guān)，且結(jié)構(gòu)簡單。次級整流二極管的電壓應力與傳統(tǒng)PWM全橋變換器相等，而ZCS具有最小的環(huán)路電流值。電流環(huán)能夠根據(jù)負載的變化情況自動進行調(diào)整，從而保證了負載在較大范圍內(nèi)變化時變換器同樣具有較高的效率。

1 工作原理

該ZVZCS PWM全橋變換器主電路如圖1所示。它是在傳統(tǒng)的零電壓PWM全橋變換器的次級增加了一個輔助電路，同時，該變換器還采用了移相控制方式。在圖1中，S₁和S₃分別超前于S₄和S₂一個相位，稱S₁和S₃組成的橋臂為超前臂，S₂和S₄組成的橋臂為滯后臂。C₁和C₃分別是S₁和S₃的外接電容。L_r是諧振電感，它包括了變壓器的漏感。每個橋臂的兩個功率管成180°互補導通，兩個橋臂的導通角相差一個相位，即移相角，通過調(diào)節(jié)移相角的大小來調(diào)節(jié)輸出電壓。超前臂開關(guān)管實現(xiàn)零電壓導通和關(guān)斷的工作原理與ZVSPWM全橋變換器相同，而滯后臂開關(guān)管是通過輔助電路來實現(xiàn)零電流導通和關(guān)斷的，由于輸出電感的儲能用來實現(xiàn)超前臂開關(guān)管的ZVS，所以可以用外接電容來減小開關(guān)損耗。通過對C_h放電，流過變壓器的原邊電流在諧振周期內(nèi)減小到零，從而實現(xiàn)了滯后橋臂的ZCS。

圖1 新 穎ZVZCS PWM全 橋 變 換 器 主 電 路 圖

為了便于分析變換器的穩(wěn)定工作狀態(tài)，而作如下假設(shè)：

——所有開關(guān)管、二極管、電容、電感均為理想元器件；

——輸出濾波電感L_f足夠大，在一個開關(guān)過程中可以等效為一個恒流源。

在半個工作周期內(nèi)，變換器有8種開關(guān)模態(tài)。因為，電流環(huán)能夠根據(jù)負載的變化而作相應的調(diào)整，所以，這些開關(guān)模態(tài)在負載較輕的情況下變化很小。

1.1 變換器在滿載條件下工作

假定變換器工作在滿載條件下，其各個模態(tài)的等效電路及主要波形圖如圖2和圖3所示。

（a） 模 態(tài)1[t₀，t₁] （b） 模 態(tài)2[t₁，t₂] （c） 模 態(tài)3[t₂，t₃]

（d） 模 態(tài)4[t₃，t₄] （e） 模 態(tài)5[t₄，t₅] （f） 模 態(tài)6[t₅，t₆]

（g） 模 態(tài)7[t₆，t₇] （h） 模 態(tài)8[t₇，t₈]

圖2 各 個 開 關(guān) 模 態(tài) 的 等 效 電 路

圖3 主 要 波 形 圖

1）開關(guān)模態(tài)1[t₀，t₁] 在t₀時刻，開關(guān)管S₁及S₄導通，輸入電壓V_s加到了變壓器的漏感L_r上，原邊電流i_p從零開始線性增加，在t₁時刻，電流i_p增加到與輸出電感電流值相等。電流i_p的變化式如式（1）所示。

i_p(t)=(V_s/L_r)t（1）

2）開關(guān)模態(tài)2[t₁，t₂] t₁時刻后，開關(guān)管S₁和S₄繼續(xù)導通，輸入功率傳到了變壓器的次級。輔助線圈的漏感L_lks與吸持電容C_h產(chǎn)生諧振，給C_h充電，C_h上的電壓及電流可由式（2）及式（3）得到。

v_ch(t)=[1－cos(ω_st)]（2）

i_ch=－sin(ω_st)（3）

V_H=（4）

式中：ω_s=；

n=N₁/N₂；

m=N₃/N₄。

在t₂時刻，C_h上的電壓達到最大值V_H，同時電流減小為零。為了防止二極管D_d在該工作模態(tài)下導通，C_h的最大電壓值V_H應當設(shè)計得比輸入電壓反射到次級的電壓V_s/n小。

3）開關(guān)模態(tài)3[t₂，t₃] 當C_h的充電電流減小到零的時候，D_c零電流關(guān)斷，C_h上的電壓保持在V_H。原邊電流仍被傳遞到輸出端。

4）開關(guān)模態(tài)4[t₃，t₄] 在t₃時刻，S₁關(guān)斷，原邊電流給電容C₁充電，使C₃放電，變壓器原邊電壓v_AB開始線性下降，即

vAB(_t)=V_s－t（5）

式中：I_o為輸出電流；

C_eq=C₁＋C₃。

變壓器的次級電壓v_sec以相同的速率下降，直到t₄時刻其值與C_h上的電壓值相等為止。

5）開關(guān)模態(tài)5[t₄，t₅] 當v_sec下降到V_H時，二極管D_d導通，v_sec被箝位在C_h的電壓值。變壓器的原邊電壓v_AB還以與先前同樣的速率下降到零，而v_sec則緩慢地下降。在該模態(tài)下，因為與原邊電壓相比，v_sec的下降非常緩慢，因此可以把v_sec看作常數(shù)。變壓器次級電壓反射到初級上的電壓值和初級電壓值之差加在了諧振電感Lr上，變壓器原邊電流和電壓分別按式（6）及式（7）規(guī)律下降。

i_p(t)=cos(ω_bt)（6）

v_AB(t)=nV_H－sin(ω_bt)（7）

式中：ω_b=。