移相全橋ZVZCS DC/DC變換器綜述

摘要：概述了9種移相全橋ZVZCSDC/DC變換器，簡要介紹了各種電路拓?fù)涞墓ぷ髟?，并對比了?yōu)缺點(diǎn)，以供大家參考。

關(guān)鍵詞：移相控制；零電壓零電流開關(guān)；全橋變換器

1 概述

所謂ZVZCS，就是超前橋臂實(shí)現(xiàn)零電壓導(dǎo)通和關(guān)斷，滯后橋臂實(shí)現(xiàn)零電流導(dǎo)通和關(guān)斷。ZVZCS方案可以解決ZVS方案的故有缺陷，即可以大幅度降低電路內(nèi)部的循環(huán)能量，提高變換效率，減小副邊占空比丟失，提高最大占空比，而且其最大軟開關(guān)范圍不受輸入電壓和負(fù)載的影響。

滯后橋臂零電流開關(guān)是通過在原邊電壓過零期間使原邊電流復(fù)位來實(shí)現(xiàn)的。即當(dāng)原邊電流減小到零后，不允許其繼續(xù)反方向增長。原邊電流復(fù)位目前主要有以下幾種方法：

1）利用超前橋臂開關(guān)管的反向雪崩擊穿，使儲存在變壓器漏感中的能量完全消耗在超前橋臂的IGBT中，為滯后橋臂提供零電流開關(guān)的條件；

2）在變壓器原邊使用隔直電容和飽和電感，在原邊電壓過零期間，將隔直電容上的電壓作為反向阻斷電壓源，使原邊電流復(fù)位，為滯后橋臂開關(guān)管提供零電流開關(guān)的條件；

3）在變壓器副邊整流器輸出端并聯(lián)電容，在原邊電壓過零期間，將副邊電容上的電壓反射到原邊作為反向阻斷電壓源，使原邊電流迅速復(fù)位，為滯后橋臂開關(guān)管提供零電流開關(guān)的條件。

2 電路拓?fù)?

根據(jù)原邊電流復(fù)位方式的不同，下面列舉幾種目前常見的移相全橋ZVZCS PWM DC/DC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以供大家參考。

1）Nho E.C.電路 如圖1所示[1]。該電路是最基本的移相全橋ZVZCS變換器，它的驅(qū)動信號采用有限雙極性控制，從而實(shí)現(xiàn)超前橋臂的零電壓和滯后橋臂的零電流開關(guān)。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的缺陷是L_1k要折衷選擇，L_1k太小，在負(fù)載電流很小時，超前橋臂不能實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)；L_1k太大，又限制了i_L1k的變化速度，從而限制了變換器開關(guān)頻率的提高。變換器給負(fù)載供電方式是電流源形式，電感L_1k電流交流變化，輸入電流脈動很大，要求濾波電容很大。該電路可以工作在電流臨界連續(xù)狀態(tài)，但必須采用頻率控制，不利于濾波器的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖1 Nho E.C. 電路拓?fù)?/FONT>

2）Chen K. 電路 如圖2所示[2][3]。該電路超前橋臂并聯(lián)有串聯(lián)的電感和電容。電感L₁和L₂很小，不影響開關(guān)管的ZVS，但有兩個好處：一是限制振蕩的電流峰值；二是在負(fù)載很小，開關(guān)管不能實(shí)現(xiàn)ZVS時，限制開關(guān)管的開通電流尖峰。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)利用IGBT的反向擊穿特性，解決了滯后橋臂IGBT關(guān)斷時的電流拖尾問題，可以提高IGBT的開關(guān)頻率，而且在負(fù)載很小時也能實(shí)現(xiàn)零電流開關(guān)。但是，這個電路也付出了代價，漏感L_1k中的能量L_1ki_p²/2和i_p反向時漏感L_1k中的能量全部消耗在反向擊穿的IGBT中。

圖2 Chen K.電路拓?fù)?/FONT>

3）原邊加隔直電容和飽和電感的FB-ZVZCS-PWM變換器 如圖3[4]所示。它在基本的移相全橋變換器的基礎(chǔ)上增加了一個飽和電感L_s，并在主電路上增加了一個阻擋電容C_b，阻擋電容C_b與飽和電感L_s適當(dāng)配合，能使滯后橋臂上的主開關(guān)管實(shí)現(xiàn)零電流開關(guān)。在原邊電壓過零階段，飽和電感工作在線性狀態(tài)，阻止原邊電流i_p反向流動，在原邊電壓為V_in或－V_in時，它工作在飽和狀態(tài)。盡管它有許多明顯的優(yōu)勢，但也有不足之處，如最大占空比范圍仍受到很多限制，特別是飽和電感上有很大的損耗，飽和電感磁芯的散熱問題是一個必須解決的問題。

圖3 原邊加隔直電容和飽和電感的FB-ZVZCS- PWM變換器

4）副邊采用有源箝位開關(guān)的FB-ZVZCS-PWM變換器 如圖4所示[5]。這種電路沒有使用耗能元件，在副邊增加有源箝位開關(guān)S，并通過對有源箝位開關(guān)的適當(dāng)控制，為滯后橋臂創(chuàng)造零電流開關(guān)條件。超前橋臂在零電壓導(dǎo)通與關(guān)斷的過程中，輸出濾波電感L_f參與了諧振過程，而輸出濾波電感通常具有很大的值，超前橋臂開關(guān)管可以在很大的負(fù)載范圍內(nèi)滿足零電壓開關(guān)條件，開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷的死區(qū)時間間隔受原邊電壓最大占空比的限制。在此種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，可能會出現(xiàn)副邊整流輸出電壓的占空比大于原邊電壓最大占空比的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為“占空比增大效應(yīng)”(duty cycle boost effect)這種現(xiàn)象是由箝位電容C_c和箝位開關(guān)的作用造成的。此電路的主要缺點(diǎn)是控制上稍微復(fù)雜一些，以及有源箝位開關(guān)采用的是硬開關(guān)，但是，有源箝位開關(guān)在一個開關(guān)周期中僅工作很短一段時間，對變換器整體效率影響很小。

圖4 副邊帶有源箝位開關(guān)的FB-ZVZCS-PWM變換器

5）利用變壓器輔助繞組的FB-ZVZCS-PWM變換器 電路拓?fù)淙鐖D5所示[6]。該電路通過在副邊增加一個變壓器輔助繞組和一個簡單的輔助線路，無須增加耗能元件或有源開關(guān)來取得滯后橋臂ZCS。其副邊整流電壓可由箝位電容箝位，一般可將其限制在120％額定值內(nèi)，該方案可在大功率場合應(yīng)用。該電路拓?fù)涞膬?yōu)點(diǎn)是負(fù)載范圍寬，占空比損失小，器件的電壓應(yīng)力、電流應(yīng)力小，成本低。但是它也有缺點(diǎn)，即副邊結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計(jì)時有些困難。

圖5 利用變壓器輔助繞組的FB-ZVZCS-PWM變換器

6）副邊帶能量恢復(fù)緩沖電路的FB-ZVZCS-PWM變換器 如圖6所示[7]。它的副邊增加了由3個快恢復(fù)二極管和2個小電容構(gòu)成的能量恢復(fù)緩沖電路，此電路在能量傳遞初始期間，電容C_s1和C_s2與漏感諧振，電容上的電壓達(dá)到2nV_in，超前橋臂開關(guān)管一關(guān)斷，電容上電壓就折合到原邊，在漏感上產(chǎn)生一反壓，使得原邊電流下降。而且，通過能量恢復(fù)電路的低阻抗路徑使副邊整流二極管實(shí)現(xiàn)了ZVS。該結(jié)構(gòu)稍微復(fù)雜些，最大缺點(diǎn)是，由于電容C_s1和C_s2與漏感諧振，使得副邊整流電壓幾乎是正常電壓nV_in的2倍，增加了整流管的電壓應(yīng)力，并且由于存在大量環(huán)流，也增加了導(dǎo)通損耗。

圖6 副邊帶能量恢復(fù)緩沖電路的FB-ZVZCS-PWM變換器

7）使用改進(jìn)的能量恢復(fù)緩沖電路的FB-ZVZCS-PWM變換器 如圖7所示[8]。它運(yùn)用改進(jìn)的能量恢復(fù)緩沖電路來減小循環(huán)電流和副邊瞬間超壓。除了增加二極管D_s4外，其工作原理和線路與6)相同。

圖7 副邊帶改進(jìn)的能量恢復(fù)緩沖電路的FB-ZVZCS-PWM變換器

8）滯后橋臂中串入二極管的FB-ZVZCS-PWM變換器 如圖8所示[9]。它利用串聯(lián)二極管阻斷電容電壓可能引起的原邊電流的反向流動?？梢栽谌我庳?fù)載和輸入電壓變化范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)滯后橋臂的零電流開關(guān)。

圖8 滯后橋臂中串入二極管的FB-ZVZCS-PWM變換器

9）副邊利用簡單輔助電路的FB-ZVZCS-PWM變換器 如圖9所示[10]。此電路副邊由一個簡單輔助電路構(gòu)成：包括一個小電容和兩個小二極管，結(jié)構(gòu)簡單，整流電壓不恒定，取決于占空比。該方案不含飽和電感，輔助開關(guān)，不產(chǎn)生大的環(huán)流，沒有額外的箝位電路，這是因?yàn)?，副邊整流電壓被箝位于箝位電容電壓與輸出電壓之和。所有的元器件均在低電壓，低電流下工作，還有負(fù)載范圍寬，占空比損失小等優(yōu)點(diǎn)，從而使此變換器具有高效率，低成本，解決了目前常見變換器的許多問題。在高功率場合很有發(fā)展前途。

圖9 副邊利用簡單輔助電路的FB-ZVZCS-PWM變換器

3 結(jié)語

綜上所述可知，圖2和圖3電路使用耗能元件來復(fù)位原邊電流，降低了總效率并阻礙功率超過5kW；圖4電路通過副邊增加有源箝位開關(guān)來復(fù)位原邊電流，價格較貴并且控制復(fù)雜，有源箝位開關(guān)采用的是硬開關(guān)，開關(guān)頻率是原邊的兩倍，開關(guān)損耗大；圖5電路所有有源和無源元器件都工作在最小電流應(yīng)力和電壓應(yīng)力下，有較寬的ZVZCS范圍，較小的占空比損耗，不存在嚴(yán)重的寄生環(huán)流，功率超過5kW，但是輔助電路復(fù)雜；圖6電路中電容C_s1和C_s2與漏感諧振引起大的循環(huán)能量，降低了總效率并使得副邊整流電壓幾乎是正常電壓nV_s的二倍，增加了副邊整流管的電流應(yīng)力，變壓器和開關(guān)的導(dǎo)通損耗也增加了；圖7電路是對圖6電路的改進(jìn)，它減小了副邊瞬間超壓和環(huán)流，也能使開關(guān)損耗傳到負(fù)載；通過比較圖6和圖7緩沖電路中C_s放電時間和漏感L_1k復(fù)位時間，可以看出吸收電容復(fù)位變壓器漏感能量的能力和容量，后者比前者加倍，因而使用圖7電路能擴(kuò)展到重載范圍。圖9電路簡化了前幾種ZVZCS方案，僅僅增加由一個小電容和兩個小二極管組成的簡單輔助電路，無須增加耗能元件和有源開關(guān)實(shí)現(xiàn)ZVZCS，不僅為原邊開關(guān)提供ZVZCS條件.