移相全橋零電壓PWM軟開關(guān)電路

摘要：文中介紹了移相全橋零電壓PWM軟開關(guān)電路組成及工作原理，并從時(shí)域上詳細(xì)分析了軟開關(guān)的工作過程，闡述了超前臂和滯后臂的諧振過程，最后給出了PWM款開關(guān)電路占空比丟失的原因和電路的能量轉(zhuǎn)換方式。

關(guān)鍵詞：移相 軟開關(guān) 諧振技術(shù)

通信開關(guān)電源現(xiàn)在正在朝著大功率、小體積、高效率的趨勢發(fā)展，目前這一領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)是采用新的軟開關(guān)電路來降低開關(guān)損耗和提高開關(guān)頻率。近幾年來，我國通信開關(guān)電源先后經(jīng)歷了PWM硬開關(guān)變換器，諧振變換器，零電壓準(zhǔn)諧振變換器和全橋零電壓PWM軟開關(guān)變換器四個(gè)階段。

1 軟開關(guān)電路

軟開關(guān)可分為零電流開關(guān)（ZCS）、零電壓開關(guān)（ZVS）和零電壓零電流開關(guān)（ZV-ZCS）等三種開關(guān)形式，又有軟開通和軟關(guān)斷兩種。普通PWM變換器以改變驅(qū)動(dòng)信號(hào)的脈沖寬度來調(diào)節(jié)輸出電壓，且在功率開關(guān)管開關(guān)期間存在很大損耗，因此，這種硬開關(guān)電源的尖峰干擾大，可靠性差，效率低。而移相控制全橋軟開關(guān)電源則是通過改變兩臂對角線上下管驅(qū)動(dòng)電壓移相角的大小來調(diào)節(jié)輸出電壓，這種方式是讓超前臂管柵壓領(lǐng)先于滯后臂管柵壓一個(gè)相位，并在IC控制端對同一橋臂的兩個(gè)反相驅(qū)動(dòng)電壓設(shè)置不同的死區(qū)時(shí)間，同時(shí)巧妙地利用變壓器漏感和功率管的結(jié)電容和寄生電容來完成諧振過程以實(shí)現(xiàn)零電壓開通，從而錯(cuò)開了功率器件電流與電壓同時(shí)處于較高值的硬開關(guān)狀態(tài)，并有效克服了感性關(guān)斷電壓尖峰和容性開通時(shí)管溫過高的缺點(diǎn)，減少了開關(guān)損耗與干擾。

這種軟開關(guān)電路的特點(diǎn)如下：

（1）移相全橋軟開關(guān)電路可以降低開關(guān)損耗，提高電路效率。

（2）由于降低了開通過的du/dt，消除了寄生振蕩，從而降低了電源輸出的紋波，有利于噪聲濾波電路的簡化。

（3）當(dāng)負(fù)載較小時(shí)，由于諧振能量不足而不能實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)，因此效率將明顯下降。

（4）該軟開關(guān)電路存在占空比丟失現(xiàn)象，重載時(shí)更加嚴(yán)重，為了能達(dá)到所要求的最大輸出功率，則必須適當(dāng)降低變化，而這將導(dǎo)致初級電流的增加并加重開關(guān)器件的負(fù)擔(dān)。

（5）由于諧振電感與輸出整流二極管結(jié)電容形成振蕩，因此，整流二極管需要承受較高的峰值電壓。

2 工作原理

移相全橋零電壓PWM軟開關(guān)的實(shí)際電路如圖1所示。它由4只開關(guān)功率管S1、S2、S3、S4(MOSFET或IGBT)、4只反向并接的高速開關(guān)二極管D1、D2、D3、D4以及4只并聯(lián)電容C1、C2、C3、C4（包括開關(guān)功率管輸出結(jié)電容和外接吸收電容）組成，與硬開關(guān)PWM電路相比該電路僅多了一個(gè)代表變壓器的漏感與獨(dú)立電感之和的諧振電感Lr。零電壓開關(guān)的實(shí)質(zhì)，就是在利用諧振過程中對并聯(lián)電容的充放電來讓某一橋臂電壓UA或UB快速升到電源電壓或者降到零值，從而使同一橋臂即將開通的并接二極管導(dǎo)通，并把該管的端電壓箝在0，為ZVS創(chuàng)造條件。電路中的4個(gè)開關(guān)功率管的開關(guān)控制波形如圖2所示。

該波形在一個(gè)周期內(nèi)被按時(shí)域分成了8個(gè)區(qū)間，每個(gè)區(qū)間代表電路工作的一個(gè)過程。除死區(qū)時(shí)間外，電路中總有兩個(gè)開關(guān)同時(shí)導(dǎo)通；共有四種組態(tài)：S1和S4、S1和S3、S2和S3、S2和S4，周而復(fù)始。由圖2可知，當(dāng)S1和S4、S2和S3組合時(shí)，即T0-T1、T4-T5時(shí)間段為工作電路輸出功率狀態(tài)，而在S1和S3、S2和S4組合時(shí)，即T2-T3、T6-T7時(shí)間段為電路續(xù)流狀態(tài)；T3-T4、T7-T8時(shí)間段內(nèi)為從續(xù)流狀態(tài)向輸出功率轉(zhuǎn)換的諧振過程；T1-T2、T5-T4時(shí)間段內(nèi)為從輸出功率狀態(tài)向續(xù)流狀態(tài)轉(zhuǎn)換的諧振過程，后四個(gè)區(qū)間稱為死區(qū)，諧振過程都發(fā)生在死區(qū)里，死區(qū)時(shí)間由控制器來設(shè)置。

下面具體分析各個(gè)區(qū)間的工作原理。

2.1 輸出功率狀態(tài)1（T0-T1）

假如初始狀態(tài)為T0-T1區(qū)間，那么，此刻的功率開關(guān)管S1、S4都處于導(dǎo)通狀態(tài)，A、B兩點(diǎn)間的電壓為U，初級電流從初始Ip點(diǎn)線性上升，變壓器次級感應(yīng)的電壓將使DR2導(dǎo)通，DR1截止，輸出電流經(jīng)DR2流向輸出電感，并在電容儲(chǔ)能后給負(fù)載提供電流，到達(dá)T1時(shí)刻時(shí)，輸出功率狀態(tài)1過程結(jié)束。

2.2 超前臂諧振過程1（T1-T2）

當(dāng)T1時(shí)刻到來時(shí)，開關(guān)管S4由導(dǎo)通變?yōu)榻刂?，存?chǔ)在電感的能量對C4進(jìn)行充電，同時(shí)C3放電以使B點(diǎn)的電壓漸漸升高，當(dāng)C4的電壓充到U時(shí)，D3導(dǎo)通，開關(guān)功率S3的源漏電壓為0，從而為開關(guān)功率管S3零電壓的開通準(zhǔn)備了條件。因?yàn)榇渭壿敵鲭姼袇⑴c諧振，等效電感為k2L，所以電感儲(chǔ)能充足，很容易使B點(diǎn)達(dá)以U值，故超前臂容易實(shí)現(xiàn)零電壓開通。

在這一過程中參與諧振的電容量為C3和C4的并聯(lián)，電感量為Lr與次級感應(yīng)的串聯(lián)電感量。即：

C=C3+C4,L=Lr+k2L

超前臂諧振過程的微分方程如下：

LC（d2Uc/dt2）+Uc=kU0

其中初始狀態(tài)的Uc(0)=U,iLr(0)=I0/k。

2.3 續(xù)流狀態(tài)1（T2-T3）

由于開關(guān)功率管S1、S3都導(dǎo)通，此時(shí)A點(diǎn)與B點(diǎn)的電位皆為U，變壓器初始處于短路狀態(tài)而不輸出功率。從T2時(shí)刻起，輸出電感L兩段端的電壓極性變反，輸出電感由儲(chǔ)能狀態(tài)變?yōu)榉拍軤顟B(tài)，負(fù)載由輸出電感和輸出電容提供電流，相應(yīng)的變壓器的初級電流仍按原方向流動(dòng)，進(jìn)入續(xù)流狀態(tài)后，電流略有下降。變壓器初始電流通過開關(guān)功率管和二極管使開關(guān)功率管的損耗得以減小。

2.4 滯后臂諧振過程1（T3-T4）

當(dāng)T3時(shí)刻到來時(shí)，開關(guān)管S1由導(dǎo)通變?yōu)榻刂梗瑑?chǔ)能電感對C1開始充電，同時(shí)，電容C2開始放電使A點(diǎn)的電壓逐漸下降，直到C2的電壓為0使D2導(dǎo)通。從而為開關(guān)功率管S2的零電壓導(dǎo)通準(zhǔn)備了條件。在這一過程中，參與諧振的電容量為C1和C2的并聯(lián)，電感僅為Lr，即C=C1+C2,L=Lr

滯后臂諧振過程的微分方程為：

LC（d2Uc/dt2）+Uc=0

其中初始狀態(tài)時(shí)的Uc(0)=0,iLr(0)=I0/k。

在這一過程中，由于只有Lr參與諧振，而諧振開始時(shí)如果Lr的電流Ilr較小，Lr儲(chǔ)能不夠，那么電容C的諧振電壓Uc的峰值就有可能達(dá)不到U，這樣二極管將不能導(dǎo)通，其對應(yīng)的開關(guān)就不能實(shí)現(xiàn)零電壓開通。為了使電容的諧振電壓峰值能夠達(dá)到U,電感的儲(chǔ)能必須足夠高，因此在諧振開始時(shí)，電感Lr的電流Ilr必須滿足：

1/2（Li2Lr）=1/2(CU2)

這一等式就是設(shè)計(jì)諧振電感Lr的依據(jù)。

2.5 輸出功率狀態(tài)2（T4-T5）

此過程時(shí)，開關(guān)功率管S2、S3導(dǎo)通，變壓器初始電流從B流向A，AB兩點(diǎn)電壓為-U，變壓器次級感應(yīng)電壓使DR1處于導(dǎo)通狀態(tài)，并通過DR1為輸出電感、電容儲(chǔ)能。

2.6 超前臂諧振狀態(tài)2（T5-T6）

此過程中，開關(guān)功率管S3由導(dǎo)通變?yōu)榻刂?，電容C3開始充電，電容C4開始放電，B點(diǎn)電壓逐漸下降到0，為開關(guān)功率管S4的零電壓開通準(zhǔn)備條件。

2.7 續(xù)流狀態(tài)2（T6-T7）

此時(shí)，A、B兩端電壓為0，初級電流按原方向流動(dòng)，電流強(qiáng)度逐漸減小，變壓器次級的DR2仍處于導(dǎo)通狀態(tài)，以維持電感給負(fù)載所提供的電流。

2.8 滯后臂諧過程2(T7-T8)

在T7時(shí)刻，開關(guān)功率管S2從導(dǎo)通變?yōu)榻刂?，電容C2開始充電，而電容C1開始放電使A點(diǎn)的電壓逐漸上升到U，從而二極管D1導(dǎo)通，為開關(guān)功率管S1的零電壓開通準(zhǔn)備了條件。至此，一個(gè)周期結(jié)束。

3 電路分析

3.1 兩個(gè)諧振過程的比較

在輸出功率狀態(tài)向續(xù)流狀態(tài)轉(zhuǎn)換的諧振過程中，由于其電感大（L=Lr+k2L），儲(chǔ)能多，因此負(fù)載電流在很小時(shí)便可以使電容電壓諧振到零，因此，相位超前的兩個(gè)橋臂開關(guān)S3、S4很容易實(shí)現(xiàn)零電壓開通。

而在續(xù)流狀態(tài)向輸出功率狀態(tài)轉(zhuǎn)換的諧振過程中，其電感較小，只有Lr參與諧振。所以儲(chǔ)能小，負(fù)載電流零達(dá)到一定值才可以使電容電壓諧振到U，因此，相位滯后的兩個(gè)橋臂S1、S2不太容易實(shí)現(xiàn)零電壓開通。

為了使后者容易實(shí)現(xiàn)零電壓開通，在設(shè)計(jì)開關(guān)功率管控制信號(hào)時(shí)，應(yīng)使滯后臂的死區(qū)時(shí)間大于超前臂的死區(qū)時(shí)間，并使C1、C2的值小于C3、C4.

3.2 占空比丟失現(xiàn)象

移相全橋零電壓PWM軟開關(guān)電路有一個(gè)特殊現(xiàn)象就是占空比的丟失。它總是發(fā)生在續(xù)流狀態(tài)向輸出功率狀態(tài)轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)。在T4時(shí)刻，開關(guān)功率管S2剛開通，諧振電感Lr的電流剛剛衰減到零或尚未衰減到零，變壓器初級處于續(xù)流狀態(tài)，其兩端的電壓為零，諧振電感Lr承受的電壓為U，其電流反向逐漸增大，只有當(dāng)其電流增大到I0/k時(shí)，變壓器才退出續(xù)流狀態(tài)，兩端的電壓才升到U，電感Lr中的電流才不再增大。這樣，從S2開通到變壓器退出續(xù)流狀態(tài)，變壓器并不輸出電壓，這一段時(shí)間即為丟失的占空比，其占空比為：

ΔD=2LrI0/（kUT）

從式中可以看出，諧振電感Lr越大，負(fù)載電流I0越大，占空比丟失也越嚴(yán)重。占空比丟失現(xiàn)象將直接導(dǎo)致開關(guān)功率管的損耗增大，故必須采取措施加以克服，目前通常采用減小變比來實(shí)現(xiàn)。

3.3 能量轉(zhuǎn)換

該移相全橋零電壓PWM軟開關(guān)電路在主變壓器（原邊）初級串聯(lián)附加了諧振電感，從而促進(jìn)了電路中滯后臂實(shí)現(xiàn)ZVS。因同一橋臂的兩只并聯(lián)電容在開關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)的充放電能量將達(dá)到Wc=1/2（CU2），即一充一放的電容儲(chǔ)能變化達(dá)CU2，這么大的電場能量需用電感中的磁能來轉(zhuǎn)換。為了順利完成并聯(lián)電容的充放電，使并接二極管導(dǎo)通箝位。電路中設(shè)計(jì)了足夠大的電感來幫助電容器中電荷實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)變，電路中的Lr、L的作用就在于此。

4 結(jié)束語

同普通全橋相比，移相全橋軟開關(guān)電路具有開關(guān)損耗低，電路效率高的優(yōu)點(diǎn)，但也存在缺點(diǎn)，如何在保留其優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上改進(jìn)它的缺點(diǎn)還需要進(jìn)一步研究。