10kW移相全桥ZVS设计
移相全桥ZVS软开关变换器的设计与应用
２１ ０ １年 １月 ２ ５日第 ２ ８卷第 １期
Ｔｅｅ ｏ Ｐｏ ｒＴｅ ｈ ｏｏ ｙ ｌｃ ｍ ｗｅ ｃ ｎ ｌｇ Ｊ ｒ ５ ０ ，Ｖｏ．２ ． ａＬ２ ，２ １ １ １ ８Ｎｏ １
文章编 号 ：０ ９３ ６ （ ０ ） １０ １—３ １０ —６ ４ ２ １ ０ — ０ ０ １ １
１ 移 相 全 桥 Ｚ Ｓ软 开 关 变 换 器 工 作 原 理 Ｖ
图 １为移 相全 桥 Ｚ ＶＳ软开 关变 换器 原 理 图 ， 中 其 Ｕｉ 为输 入 电压 ， 为 输 出 电压 ， 、 、 、 为 功 率 Ｑ１Ｑ２ Ｑ４
ＭＯＳ开关 管 ， ＶＱｇ、 ３ ＶＣ ４ 别 为 四 个 功 ＶＱｇ、 ２ ＶＱｇ、 ｈ 分 率 开 关管 的驱 动信 号 ， １Ｄ 、 ３ Ｄ 为反 并联 二 极 管 ， Ｄ 、 Ｉ 、 ４ ） Ｃ 、２Ｃ 、 ４ 并 联 电 容 ， … Ｃ １Ｃ 、 ３Ｃ 为 Ｌ 为辅 助支 路 谐 振 电 感、 电容 ， 为高 频变 压 器 ， ５ Ｉ 为 副 边整 流 二极 管 ， Ｔ Ｉ 、） ） ６ Ｌ 、 别 为输 出滤 波 电感 、 波 电容 ， － 负 载 。 Ｌ ｆＣ分 滤 Ｒ 为 ｋ 由两部 分组 成 ， 一是 原边 串联 谐振 电感 ， 二是 变 压器漏
选 择 做 了详 细介 绍 ， 后 给 出 了仿 真 结 果 和 仿 真 波 形 ， 明 了设 计 的合 理 性 和 有 效 性 。 最 证
关 键 词 ： Ｃ Ｉ 变换 器 ； 开 关 ； Ｖ ； ３ ７ Ｄ ／Ｘ； 软 Ｚ Ｓ ＵＣ ８ ５
中图 分 类 号 ： Ｎ １ Ｔ ７２
文献标识码 ： Ａ
电子 设备 的成 本 、 积 以及 效率 。众 所周 知 ， 体 提高 电源 的频 率 ， 以有 效地 减小 器 件 的体 积 和重 量 ， 小滤 波 可 减 器 的参数 ， 从而 使 变 压 器小 型化 。但 在 器件 高 频 化 的 同时 ， 会增 加开 关损 耗 、 增大 电磁 干扰 。软 开关 技术 是
移相全桥ZVS变换器的小信号模型设计
移相全桥ZVS变换器的小信号模型设计摘要：小信号建模分析是移相全桥ZVS变换器理论研究的重要部分，利用小信号建模分析可以将变换器系统由非线性系统近似转化为线性系统，建立符合设计要求的物理模型。
本文小信号模型基于Buck 变换器电路的开环小信号模型，利用状态空间平均法原理，搭建出峰值电流控制的闭环小信号模型。
这就需要先构分析研究Buck变换器开环小信号模型建立方法，在完成以上理论研究并搭建出闭环小信号模型基础上，为后续设计数字控制器打好基础。
关键词：状态空间平均法 BUCK变换器小信号建模一、引言性能良好的控制器是开关电源所必需的，需要建立闭环小信号模型从而完成控制器的设计。
在研究一个典型变换器系统时，当输入电压或负载发生变化时，我们常希望通过闭环反馈控制系统，来调节变换器的开关管通断时间，并且要采取相应措施来抑制输入电压、负载变化等对变换器输出参数的影响，提高系统稳定性输出精度，保持变换器系统输出电压恒定，具备较好的静态性能，并使系统的超调量、调节时间等动态性能满足设计要求。
因此，变换器作为闭环控制系统，其静态、动态性能是否满足要求，与反馈控制的设计好坏密切相关。
由于开关管、整流二极管这些非线性器件移相全桥ZVS变换器中得到了大量使用，因此移相全桥ZVS变换器是一个典型的非线性系统，较为复杂。
因此我们寻求一种高效的数学的方法，简化复杂的物理模型，从而得到一种较好理解和分析研究的数学模型，即小信号模型。
二、状态空间平均法原理分析在电路系统中，各状态变量的小信号扰动量的关系，随着系统处于某稳态工作点附近时，可以近似看做为线性特性，因此利用小信号建模分析就可以将变换器系统由非线性系统近似转化为线性系统，建立符合本文设计要求和较容易分析研究的物理模型。
[1]在简化物理模型后，电路系统中各控制量对输出电压的传递函数就可以建立起来了，之后对控制器的设计就可以利用经典控制理论来完成了。
本文采用常见且应用成熟的小信号建模方法：状态空间平均法。
10kW移相控制ZVS-PWM全桥变换器的设计
７ ０
湖 北 工 业 大 学 学 报
２ ０ １ ４年 第 ２期
电压为 零 Ｕ ＝ｕ 一己 ， 一Ｏ ， 即实 现钳位 续 流过程 ；
为 １： １ ． ０ ５： １ ． Ｏ ５ 。 ２ ． ２ 滤 波 电感的设 计
［ ， ｔ 。 ］滞后 桥 臂 的谐 振 与 换 流 过 程 ： ｔ 。时 刻
第 ２ ９卷 第 ２期
ＶｏＩ ． ２ ９ ＮＯ ． ２
湖 北 工 业 大 学 学
报
２ ０ １ ４年 Ｏ ４月
Ａｐｒ ． ２０ １ ４
Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｈｕ ｂ ｅ ｉ Ｕｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ
用谐 振 变 换 技 术 和 常规 Ｐ ＷＭ 变 换技 术 相 结 合 ， 可 以实 现恒 定频 率 的零 电压 开关 变 换 过 程 ， 它 既 具 有 常规 Ｐ Ｗ Ｍ 全 桥 电路 的拓 扑 结 构 简 洁 、 控 制方 式 简 单、 开关 频率 恒定 以及 开 关 器 件 电压 和 电流 应 力 小 等优 点 ， 又解 决 了常规 Ｐ ＷＭ 全 桥 电路 电磁 干扰 强 、 开关 损 耗和 开关 噪 声 大 的 缺点 ， 从 而被 广 泛 应 用 于 大 功率 高频 开关 电源 领域 ＿ 】 。
压上 升沿 和下 降沿 的延 迟作用 ， 用 垂直 直线 表示 ， 并
设 开 关 管 和二 极 管导 通 压 降 为零 ， Ｃ 一 Ｃ 。 一Ｃ ，
Ｃ。 一Ｃ 一Ｃ ， Ｌ ｆ ＞＞ Ｉ ／ ｎ ， Ｌ ｒ 可等 效为 电流 Ｉ 。 的
恒流源。
． ＝
１ 移 相 控 制零 电压 开 关 全桥 变 换 器 的
移相全桥ZVZCSDCDC变换器综述.
移相全桥ZVZCSDC/DC变换器综述摘要：概述了9种移相全桥ZVZCSDC/DC变换器，简要介绍了各种电路拓扑的工作原理，并对比了优缺点，以供大家参考。
关键词：移相控制；零电压零电流开关；全桥变换器 1概述所谓ZVZCS，就是超前桥臂实现零电压导通和关断，滞后桥臂实现零电流导通和关断。
ZVZCS方案可以解决ZVS方案的故有缺陷，即可以大幅度降低电路内部的循环能量，提高变换效率，减小副边占空比丢失，提高最大占空比，而且其最大软开关范围不受输入电压和负载的影响。
图1 滞后桥臂零电流开关是通过在原边电压过零期间使原边电流复位来实现的。
即当原边电流减小到零后，不允许其继续反方向增长。
原边电流复位目前主要有以下几种方法： 1）利用超前桥臂开关管的反向雪崩击穿，使储存在变压器漏感中的能量完全消耗在超前桥臂的IGBT中，为滞后桥臂提供零电流开关的条件；图2 2）在变压器原边使用隔直电容和饱和电感，在原边电压过零期间，将隔直电容上的电压作为反向阻断电压源，使原边电流复位，为滞后桥臂开关管提供零电流开关的条件； 3）在变压器副边整流器输出端并联电容，在原边电压过零期间，将副边电容上的电压反射到原边作为反向阻断电压源，使原边电流迅速复位，为滞后桥臂开关管提供零电流开关的条件。
图3 2 电路拓扑根据原边电流复位方式的不同，下面列举几种目前常见的移相全桥ZVZCSPWMDC/DC拓扑结构，以供大家参考。
图4 1）NhoE.C. 电路如图1所示[1]。
该电路是最基本的移相全桥ZVZCS变换器，它的驱动信号采用有限双极性控制，从而实现超前桥臂的零电压和滞后桥臂的零电流开关。
这种拓扑结构的缺陷是L1k要折衷选择，L1k太小，在负载电流很小时，超前桥臂不能实现零电压开关；L1k太大，又限制了iL1k的变化速度，从而限制了变换器开关频率的提高。
变换器给负载供电方式是电流源形式，电感L1k电流交流变化，输入电流脉动很大，要求滤波电容很大。
ZVS移相全桥变换器的原理与设计
ZVS移相全桥变换器的原理与设计摘要：介绍移相全桥ZVS变换器的原理，并用UC3875控制器研制成功3kW移相全桥零电压高频通信开关电源。
关键词：移相全桥零电流开关零电压开关准谐振The Principle and Design of Phase shifted Full bridge Zero voltage ConvertorAbstract： The paper introduces the principle of phase shifted full bridge zerovoltage switching convertor.A 3kw full bridge ZVS convertor was developed us ing UC3875 controller.Keywords: Phase shifted full bridge, ZCS, ZVS, Quasi resonance中图法分类号：TN86文献标识码：A文章编号：02192713(2000)11572031引言传统的全桥PWM变换器适用于输出低电压(例如5V)、大功率(例如1kW)的情况，以及电源电压和负载电流变化大的场合。
其特点是开关频率固定，便于控制。
为了提高变换器的功率密度，减少单位输出功率的体积和重量，需要将开关频率提高到1MHz级水平。
为避免开关过程中的损耗随频率增加而急剧上升，在移相控制技术的基础上，利用功率MOS管的输出电容和输出变压器的漏电感作为谐振元件，使全桥PWM变换器四个开关管依次在零电压下导通，实现恒频软开关，这种技术称为ZVS零电压准谐振技术。
由于减少了开关过程损耗，可保证整个变换器总体效率达90％以上，我们以Unitrode公司UC3875为控制芯片研制了零电压准谐振高频开关电源样机。
本文就研制过程，研制中出现的问题及其改进进行论述。
2准谐振开关电源的组成ZVS准谐振高频开关电源是一个完整的闭环系统，它包括主电路、控制电路及CPU通讯和保护电路，如图1所示。
移相全桥ZVS 及ZVZCS 的拓扑结构分析
移相全桥ZVS 及ZVZCS 的拓扑结构分析
1. 引言
移相控制方式是控制型软开关技术在全开关PWM 拓扑的两态开关模式（通态和断态）通过控制方法变为三态开关工作模式（通态断态和续流态），在续流态中实现开关管的软开关。
全桥移相ZVS-PWM DC/DC 变换拓扑自出现以来，得到了广泛应用，其有如下优点：
●充分利用电路中的寄生参数（开关管的输出寄生电容和高频变压器的漏感，实现有源开关器件的零电压开关）
●功率拓扑结构简单
●功率半导体器体的低电压应力和电流应力
●频率固定
●移相控制电路简单
全桥移相电路具有以上优点，但也依然存在如下缺点：
●占空比丢失
●变压器原边串联电感和副边整流二极管寄生电容振荡
●拓扑只能在轻载到满载的负载范围内，实现零电压软开关
目前该拓扑的研究及成果主要集中在以下方面
●减小副边二极管上的电压振荡
●减少拓扑占空比丢失
●增大拓扑零电压软开关的负载适应范围
●循环电流的减小和系统通态损耗的降低
2. 典型的zvs 电路拓扑
2.1 原边串联电感电路。
ZVS移相全桥变换器设计
ZVS移相全桥变换器设计ZVS（Zero Voltage Switching）移相全桥变换器是一种高效的电力转换装置，它能够实现能量的高效传输和转换。
在本文中，我们将详细介绍ZVS移相全桥变换器的设计原理、工作原理和关键技术。
1.设计原理（1）ZVS技术：ZVS技术能够将开关管的开关转换时刻与输入电流或输出电压为零的时刻相匹配，从而避免了开关管的开关损耗和开关管产生的电磁干扰。
（2）全桥变换器：全桥变换器采用四个开关管和两个二极管，能够实现输入电压的极性逆变和输出电流的正向流动。
2.工作原理（1）开关管S1和S2导通，开关管S3和S4关闭，输入电源向电感L1充电；（2）当开关管S1和S2关闭，开关管S3和S4导通时，电感L1释放能量供应给负载；（3）根据负载的需求，通过控制开关管S1、S2、S3和S4的导通和关闭，实现输入电压的极性逆变和输出电流的正向流动；（4）根据输入电压的大小、负载的需求和输出电流的波形来控制开关管的开关时刻，实现ZVS操作。
3.关键技术（1）开关管的选择和驱动：选择低导通电阻、低开关损耗的开关管，并使用高效的驱动电路，确保开关管能够在ZVS模式下正常工作。
（2）电感和电容的选择：选择合适的电感和电容数值，以及合适的磁芯材料，提高转换器的功率密度和效率。
（3）控制策略：根据负载的需求和输入电压的变化，采用合适的控制策略，如频率控制、幅度控制、相位控制等，实现最佳的动态响应和效率。
4.实际应用总结：ZVS移相全桥变换器是一种高效的电力转换装置，其设计原理基于ZVS技术和全桥变换器。
通过合适的开关管选择、驱动设计、电感和电容选择以及控制策略的优化，可以实现高效的能量传输和转换。
在实际应用中，ZVS移相全桥变换器能够带来高效、稳定和低干扰的性能优势。
移相全桥ZVS变换器的研究与优化设计
Байду номын сангаас
Ｒｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ ａ ｎ ｄ ｏ ｐｔ ｉ ｍｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｄｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｏ ｆ ｐｈ ａ ｓ ｅ — ｓ ｈ ｉ ｆ ｔ
ｆ ｕ ｌ ｌ ｂ ｒ ｉ ｄｇ ｅ ＺＶＳ ｃ ｏ ｎ ｖ ｅ ｒ ｔ ｅ ｒ
ＳＨ Ｉ Ｙｏ ｎｇ ～ ｓ ｈｅ ｎｇ ，ＬＩ Ｕ Ｙａ ｎ — ｘｉ ｎ ，Ｗ Ａ ＮＧ Ｘｉ — ｆ ｅ ｎ ｇ。
（ １ ． Ｃｏ ｌ ｌ ｅ ｇ ｅ ｏ ｆ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ，Ｓ ｈ ａ ａ ｎ ｘ ｉ Ｕｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ８ Ｌ Ｔｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ，Ｘｉ ａ ｎ ７ １ ０ ０ ２ １，Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ；２ ． Ｃｏ ｌ ｌ ｅ ｇ ｅ ｏ ｆ Ｅｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ ａ ｎ ｄ Ｉ ｎ ｆ ｏ ｒ ｍａ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｅｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ，Ｓ ｈ ａ ａ ｎ ｘ ｉ Ｕｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ＆ Ｔｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ，Ｘｉ ａ ｎ ７ １ ０ ０ ２ １ ，Ｃｈ ｉ ｎ ａ ）
摘 要 ： 传统 的移 相全桥 Ｚ ＶＳ变 换 器 存 在 诸 多 缺 点 ， 如 滞后桥 臂 零 电压 范 围小、 副 边 占 空 比 丢
失、 副 边寄 生震 荡 、 变压 器磁 饱 和等 问题． 针对 这 些 问题 进行 分析 ， 设计 了一 种 改进 型 的移相 全
桥 Ｚ ＶＳ 变换 器． 其主要 采 用饱 和 电感做 谐振 电感 来 增 大零 电压 范 围及 减 小 副边 占空 比丢 失 ，
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10kW全桥移相ZVS PWM整流模块的设计
摘要：本文介绍了10kW全桥移相ZVS PWM直流整流模块主电路和控制电路的设计，给出了主
变压器和谐振电感的参数计算，最后给出了实验波形。
叙词：全桥移相, 零电压开关, 降频Abst ract： This paper introduces the structure of 10kW ZVS-FB PWM Switch Power Module, then discu sses the design of main circuit and control system and parameter calculation, finally presents the experim ent result. Keywords： full bridge phase-shift, zero-voltage switching (ZVS), frequency reduced 1 引言
在大型发电厂中,由于需要的直流负荷比较大,蓄电池的容量通常都在2000AH以上。
若采用常规的10A或20A的开关整流模块,一般需要20或10以上的模块并联,但并联的模块过多,对模块之间的均流会带来一定的影响, 而且模块的可靠性并不随着模块的增加而增加, 一般并联的模块数量最好在10个以下。
目前在电厂中大容量的直流充电电源采用相控电源的比较多，因此很有必要开发针对电厂用户的大容量开关整流充电电源。
本文介绍的10kW 全桥移相ZVS PWM整流模块正是考虑了这种要求，它采用了加钳位二极管的ZVS－FB P WM直流变换技术，控制电路采用UC38专用全桥移相控制芯片，同时在轻载时采用了降低开关频率等技术，具有重量轻，效率高等优点。
2 整流模块主电路设计与参数计算
整流模块的主电路原理框图如图1所示，由输入EMI滤波器，整流滤波，ZVS全桥变换器，输出整流滤波和输出EMI滤波器等组成。
图1中由PQ1~PQ4开关管，钳位二极管D1,D2,谐振电感Lr,隔直电容CB，主变压器T 1以及吸收电阻和电容等组成全桥移相ZVS变换器，其中PQ1,PQ3为超前管，PQ2,PQ4为滞后管。
PQ1（PQ3）超前PQ4(PQ2)一定的角度，即移相角。
PQ1~PQ4采用IGBT单管并联组成，开关频率为25KHZ。
图1 主电路原理框图
2．1变压器参数的设计
由于设计的全桥移相ZVS PWM整流模块的最大输出功率接近10KW, 若采用常规的铁氧体磁芯，由于功率比较大，磁芯不太好选择，实际设计中磁芯采用了超微晶磁环。
和铁氧体相比，超微晶材质具有较高的饱和磁密（可达1.2～1.6T）和较低损耗和优良的温度稳定性等优点，非常适宜用作大功率开关电源的主变压器的磁芯。
本模块的输入输出指标：输入: 304~456V输出：198～286V/35A
(a)直流母线的最低电压为：
Vdmin≈Vinmin×1.35=410.4(V)（1）
式(1)中Vinmin为三相输入电压最低值，取为304V;
(b)变压器副边的最低电压为：
V2min=(Vomax+Vd+Vr)/Dmax=(286+3+2)/0.95=306.3(V)（2）式(2)中Vomax为模块输出电压最高值,取为286V; Vd为整流二极管的压降,取为3V;Vr 为变压器副边绕组内阻压降和线路压降,取为2V;Dmax为最大占空比,取为0.95.
(c)变压器的变比n
n=Vdmin/V2min=410.4/306.3=1.33
实际中变压器原边取21匝,副边为16匝,变比为21/16=1.3125。
2.2 谐振电感参数的设计
在全桥移相ZVS变换器中,在超前管PQ1(PQ3)的开关过程中，由于输出滤波电感L1与谐振电感Lr是串联的，而L1和谐振电感相比一般比较大，因此超前管很容易实现ZVS; 而在滞后管PQ2(PQ4)和开关过程中,由于变压器副边是短路的，此仅仅依靠谐振电感Lr的能量来实现ZVS,因此滞后管实现起来ZVS比较困难,一般设计在1/3满载负载以上实现零电压开关。
Lr=8*Cmos×Vdmax2/3I12 [2] （3）
I1=(Iomax/3+ΔIlf/2)/n（4）
式(3)中Cmos为开关管漏源极电容（包括外并电容），实际中取为3300pF；Vdmax为直流母线电压的最大值,取为1.35×456＝615.6(V); I1为滞后臂开关管关断时原边电流;
式(4)中Iomax为输出电流最大值，取为35A;ΔIlf 为允许输出电感电流的脉动值,取
为0.2×35=7.0A。
由以上数据计算可得Lr=24.7uH。
3 控制电路设计
控制电路采用了专用移相控制器件UC3879,原理框图如图2所示。
图中ISET为电流限流设定值，VSET为电压设定值，分别由微处理器产生；IO为输出电流值，VFB为输出电压反馈值；SHT为故障关机信号，IPR为原边电流采样值。
图2 控制电路框图
UC3879采用电流型PWM控制方式，把变压器原边电流引入到芯片内部，提高了模块
的瞬态响应速度。
UC3879输出的OA,OB,OC,OD四路信号再通过TLP250光耦组成了驱动电路，分别驱动PQ1~PQ4四组开关管。
OA/OB,OC/OD相位互补，OA(OB)分别超前OC(O D)一定的移相角。
由于本全桥移相开关管采用IGBT，电流关断时存在脱尾现象，开关管两端并联的电容比较大，
导致空载损耗比较大。
因此在设计中采用了模块轻载时降低开关频率的方法。
在输出电流小于0.5A情况下，使开关频率适当降低，大于0.5A,使模块开关频率恢复正常值,降频的实际电路如图3所示,IO’为输出电流值，IREF为设置的电流阀值。
当输出电流超过设置的电流阀值时,Q1导通，UC3879的振荡电阻变为R28和R17(R17见图2)并联；而当输出电流小于设置的电流阀值时,Q1关断,UC3879的振荡电阻为R28。
实测样机在交流输入440V时，不降频的情况下，空载损耗有220W左右，而采用降频控制技术后，空载损耗只用130w左右。
图3降频控制电路
4 实验结果
按照上述设计思想制作了两台试验样机，表一为其中一台实测的效率数据。
输入电压380V,输出电压240V。
图4为2A负载时超前管PQ1的驱动波形（CH1）和源漏极波形(CH2);
图5为2A负载时滞后管PQ2的驱动波形（CH2）和源漏极波形(CH1),从图中可以滞后管还没有实现ZVS;
图6 为15A负载时滞后管PQ2的驱动波形（CH2）和源漏极波形(CH1) ,从图中可以滞后管已实现ZVS;
图7 为35A负载时变压器的原边波形(20A/div)。
5 结语
本文提出的全桥移相ZVS PWM整流模块的开关管实现ZVS,满载效率达到93.4%以上；而且由于采用了轻载变频的技术，使得空载损耗大为降低，具有广泛的应用前景。
参考文献：
1．张占松，蔡宣三，开关电源的原理与设计，1999年，电子工业出版社
2．阮新波，严仰光，脉冲调制DC/DC全桥变换器的软开关技术，1999年，科学出版社3．叶慧贞，杨兴洲，新颖开关稳压电源，1999年，国防工业出版社。