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(gè)輔助電路的方法實(shí)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(jiǎn)單、整機(jī)效率高以及電流環(huán)自適應(yīng)調(diào)整等優(yōu)點(diǎn)，這使得它特別適合高壓大功率的應(yīng)用場(chǎng)合。詳細(xì)分析了該變換器的工作原理及電路設(shè)計(jì)，并在一臺(tái)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(guó)內(nèi)外電源界研究的熱門課題，并已得到了廣泛的應(yīng)用。在中小功率的場(chǎng)合，功率器件一般選用MOSFET，這是因?yàn)镸OSFET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(chǎng)合，IGBT更為合適。但I(xiàn)GBT的最大的缺點(diǎn)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(shí)ZVS很難實(shí)現(xiàn)（滯后臂的ZVS更難實(shí)現(xiàn)），因此ZVS方案對(duì)于IGBT來(lái)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(diǎn)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(diǎn)：有的難以適用于大功率場(chǎng)合；有的要求很小的漏感；有的電路較為復(fù)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(jìn)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(jí)增加了一個(gè)輔助電路，此輔助電路的優(yōu)點(diǎn)在于沒有有損元件和有源開關(guān)，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。次級(jí)整流二極管的電壓應(yīng)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(fù)載的變化情況自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整，從而保證了負(fù)載在較大范圍內(nèi)變化時(shí)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(jí)增加了一個(gè)輔助電路，同時(shí)，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(gè)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(gè)橋臂的兩個(gè)功率管成180°互補(bǔ)導(dǎo)通，兩個(gè)橋臂的導(dǎo)通角相差一個(gè)相位，即移相角，通過調(diào)節(jié)移相角的大小來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓。超前臂開關(guān)管實(shí)現(xiàn)零電壓導(dǎo)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(lái)實(shí)現(xiàn)零電流導(dǎo)通和關(guān)斷的，由于輸出電感的儲(chǔ)能用來(lái)實(shí)現(xiàn)超前臂開關(guān)管的ZVS，所以可以用外接電容來(lái)減小開關(guān)損耗。通過對(duì)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(shí)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(gè)開關(guān)過程中可以等效為一個(gè)恒流源。

在半個(gè)工作周期內(nèi)，變換器有8種開關(guān)模態(tài)。因?yàn)?，電流環(huán)能夠根據(jù)負(fù)載的變化而作相應(yīng)的調(diào)整，所以，這些開關(guān)模態(tài)在負(fù)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(gè)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(gè) 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(shí)刻，開關(guān)管S₁及S₄導(dǎo)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(shí)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(shí)刻后，開關(guān)管S₁和S₄繼續(xù)導(dǎo)通，輸入功率傳到了變壓器的次級(jí)。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(shí)刻，C_h上的電壓達(dá)到最大值V_H，同時(shí)電流減小為零。為了防止二極管D_d在該工作模態(tài)下導(dǎo)通，C_h的最大電壓值V_H應(yīng)當(dāng)設(shè)計(jì)得比輸入電壓反射到次級(jí)的電壓V_s/n小。

3）開關(guān)模態(tài)3[t₂，t₃] 當(dāng)C_h的充電電流減小到零的時(shí)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(shí)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(jí)電壓v_sec以相同的速率下降，直到t₄時(shí)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(dāng)v_sec下降到V_H時(shí)，二極管D_d導(dǎo)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?yàn)榕c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(jí)電壓反射到初級(jí)上的電壓值和初級(jí)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=。