ZVZCS全桥变换器模型分析及控制系统设计

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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。

一种新颖的ZVZCSPWM全桥变换器

一种新颖的ZVZCSPWM全桥变换器张恩利侯振义余侃民(空军工程大学电讯工程学院，陕西西安 710077）摘要：提出了一种新颖的零电流零电压开关（ZCZVS）PWM全桥变换器，通过增加一个辅助电路的方法实现了变换器的软开关。

与以往的ZCZVSPWM全桥变换器相比，所提出的新颖变换器具有电路结构简单、整机效率高以及电流环自适应调整等优点，这使得它特别适合高压大功率的应用场合。

详细分析了该变换器的工作原理及电路设计，并在一台功率为4kW，工作频率为80kHz的通信用开关电源装置上得到了实验验证。

关键词：全桥变换器；零电压开关；零电流开关；软开关；脉宽调制0 引言移相全桥零电压PWM软开关（PS-FB-ZVS）变换器与移相全桥零电压零电流PWM软开关（PS-FB-ZVZCS）变换器是目前国内外电源界研究的热门课题，并已得到了广泛的应用。

在中小功率的场合，功率器件一般选用MOSFET，这是因为MOSFET的开关速度快，可以提高开关频率，采用ZVS方式，就可将开关损耗减小到较为理想的程度[1]。

而在高压大功率的场合，IGBT更为合适。

但IGBT的最大的缺点是具有较大的开关损耗，尤其是由于IGBT的“拖尾电流”特性，使得它即使工作在零电压情况下，关断损耗仍然较大，要想在ZVS方式下减少关断损耗，则必须加大IGBT的并联电容。

然而由于轻载时ZVS很难实现（滞后臂的ZVS 更难实现），因此ZVS方案对于IGBT来说并不理想。

若采用常规的移相全桥软开关变换器，其优点是显而易见的，即功率开关器件电压、电流额定值小，功率变压器利用率高等，但是它们却也存在着各种各样的缺点：有的难以适用于大功率场合；有的要求很小的漏感；有的电路较为复杂且成本很高[2][3][4][5][6]。

本文提出了一种新颖的ZVZCS PWM全桥变换器，它能有效地改进以往所提出的ZVZCS PWM全桥变换器的不足。

这种变换器是在常规零电压PWM全桥变换器的次级增加了一个辅助电路，此辅助电路的优点在于没有有损元件和有源开关，且结构简单。

移相全桥ZVZC软开关DC_DC稳压电源分析与设计_吕春锋

断电容 Cb 放电，由于阻断电容 Cb 较大，其自身电压在放电过
(e)
4
(f)
5
图３换流过程模态
VDR2 流过负载电流。要实现滞后桥臂零电流，原边电流需在滞后桥臂开通前
减小到零。由开关模态 2 可知，原边电流线性减小：
V (t ) − V (t ) ?V
(1)
i (t) − I ?V (t ? t ) / L
?V (t ) ? V (t ) ? 2 C V / C ?
V ? I ?t / C ? 2 C V / C ? ?V
(5)
一般 Cr垲Cb，式(5)可以简化为：
程中近似不变，而变压器原边电流近似线性减小。
V − I ?t / 2 C
(6)
如图 3(d)所示，开关模态 3 换流过程如下：[t2-t3]期间，阻
通常所说的硬开关，在开通和关断时会产生较大的开关损耗，开关频率越高，损耗越大。软开关电源是在开关器件通断条件下，加在其电压上电压为零，即零电压开关(ZVS)，或者通过开关器件的电流为零，即零电流开关(ZCS)。软开关技术显著解决了元件开关时刻产生的损耗，可以更大幅度地提高开关频率，这种软开关的方式为缩小电源体积和提高电源效率创造了条件。移相全桥零电压零电流软开关(ZVZCS)DC-DC 变换器是在移相全桥 ZVS 的基础上发展而来的，其工作模式基本上克服了 ZVS 和 ZCS 软开关模式的固有缺陷，使全桥变换器的超前桥臂实现 ZVS，而滞后桥臂实现 ZCS，在中、大功率开关电源中具有广泛的应用。其超前桥臂的零电压实现是通过并联电容电压不能突变完成的，滞后桥臂的零电流是通过串联隔直电容和漏感谐振，从而使电流能量转移到了电容中，滞后桥臂串接的二极管阻止了关断后的反向电流，减弱了环路损耗[1]。

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。

小电流纹波的ZVZCS全桥PWM变换器研究

Ｃ》Ｃ，３，ＵｏＣ）故出仍按照原始速率减小。该模式
结束时，和定义为ｉ ‰。ｉ。，［￣５段ｃ放电结束，极管Ｖ３通，ｔｔ阶４］３二Ｄ导
ｐｅｅｔｄｃｎｅｅｓＭａｙａｖｎａｅｎｌｄｎｉｌｉｕｔｈｇｆｃｅｃｌｗｃｓ，ｏｕｅｔｒｐｅａｄｔｉｇｒｓｎｅｏｖｒｒ．ｎｄａｔｇｓｉｃｕｉｇｓｍｐｅｃｒｉ，ｉｈｅｉｉｎｙ，ｏｏｔｌｗｃｒｎｐｌｎａｎｔｃｉｋ
第４６巷第１期
电力电于技木
ＶＯ１斗ｏ．．
Ｏ．１
２１０２年１月
ＰｗｅｌｃｒｎｃｏｒＥｅｔｏｉｓ
Ｊｎａｙ２１ａｕｒ０２
小电流纹波的ＺＺＳＶＣ全桥ＰＷＭ变换器研究
徐建军，王建任，马文龙，韩晓菲
别为初、级绕组自感。若满足ｎｋ，级漏感将次＝次降为零。级电感中存在零电流纹波，通过改变初可ｎ，小纹波。献［］ｋ的变化是连续的，改ｋ减文２中而
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倍流整流方式ZVS_PWM全桥变换器的控制系统设计汇总

倍流整流方式ZVS PWM全桥变换器的控制系统设计 [出处/作者]：孙强，郑湘渝，余娟倍流整流方式ZVS PWM全桥变换器的控制系统设计孙强，郑湘渝，余娟（西安理工大学自动化与信息工程学院西安 710048）摘要：采用了一种将峰值电流控制模式与移相软开关技术相结合的移相控制全桥(FBZVS-PWM变换器.阐述了峰值电流控制的各项特点,给出了实际斜坡补偿电路及设计方法.仿真结果验证了该方案的可行性。

关键词：峰值电流控制；斜坡补偿；UCC3895 中图分类号：文献标标码： Control System Design of Current-Doubler-Rectifier ZVS PWM FB Converter SUN Qiang，ZHENG Xiang-yu，YU Juan （College of Automation and Information Engineering, Xi’an University of Technology, Xi’an 710048，China）Abstract： phase-shifted soft-switching technology and peak current control technology are combined in the research of full bridge phase-shifted ZVS PWM DC-DC converters, and characteristics of peak current control are expatiated. The practical circuit and design method of slop compensation are also given. Finally, simulation results validate the design. Keywords: Peak current control；Slop compensation； UCC3895 0 引言对应于移相控制全桥(FBZVS-PWM变换器这种主电路拓扑,本文采用Unitrode公司UCC3895芯片实施峰值电流的移相控制.由于存在占空比D>50%,电源不能稳定工作,限制了峰值电流控制方式的应用,必须加以斜坡补偿改善. 1 主电路拓扑全桥变换器广泛应用于中大功率的直流变换场合,移相控制零电压开关全桥变换器利用变压器的漏感和开关管的结电容实现开关管的ZVS, 倍流整流方式(Current Doubler Rectifier, CDRZVS全桥变换器利用两个输出滤波电感的能量可以在很宽的负载范围内实现开关管的ZVS, 而且使其输出整流管自然换流,从而避免了反向恢复引起的电压振荡和电压尖峰.变换器采用移相控制方式,Q1和Q3组成超前桥臂,Q2和Q4组成滞后桥臂。

75kW移相全桥ZVS DC-DC变换器的设计共3篇

75kW移相全桥ZVS DC-DC变换器的设计共3篇75kW移相全桥ZVS DC/DC变换器的设计175kW移相全桥ZVS DC/DC变换器的设计随着电能的需求不断增加，直流（DC）与交流（AC）能量的转换变得越来越重要。

近年来，随着电力电子技术的发展和高性能的半导体器件的不断进步，DC/DC变换器在工业和消费电子领域的应用越来越广泛。

75kW移相全桥ZVS DC/DC变换器是一种高性能变换器，能够实现高效率、高功率转换。

移相全桥ZVS DC/DC变换器的结构包括移相控制器、输人电感、输出电容、全桥开关和ZVS电路等。

其中，移相控制器的作用是控制全桥开关的相位移动，从而实现零电压开关（ZVS）控制，减少开关过程中的损耗和电磁干扰。

输人电感和输出电容则是负责滤波，保证输出电压的稳定性。

全桥开关通过不同配合的通断实现正负输出电流控制。

ZVS电路通过滤波和电容，实现电路的诸多物理参数计算协调，并通过工艺合理设计，降低待机功耗和回路波动影响。

在设计75kW移相全桥ZVS DC/DC变换器时，需要考虑诸多因素。

首先，应该确定输入电压和输出电压的范围，设计输人电感和输出电容的尺寸。

其次，需要确定最大输出功率、输出电源电流和开关频率，保证全桥开关的可靠性和ZVS电路的稳定性。

还需考虑系统的可扩展性和环境因素，以充分考虑变换器在工业应用和肆意使用中的优越性。

在开发过程中，需要充分利用仿真和实验测试，调整参数和设计方案，为最优的变换器性能和稳定性进行优化和调整。

因此，设计和发布75kW移相全桥ZVS DC/DC变换器需要对额定值、特殊应用等项指标有充分的认识、调试和经验，并充分考虑到指示等级、节约能源等重要性，超出标准数值要求的评定指数，以实现最优化控制。

总之，75kW移相全桥ZVS DC/DC变换器是一种高效、高功率、高稳定性的电能转换装置，能够在工业和消费电子领域得到广泛应用。

设计和发布此类设备需要充分考虑应用环境、指标要求和设计方案，充分利用仿真和实验测试，以实现最优化控制、最低化能量损耗和实时可调参数，为应用和发展带来更多的便利和效益综上所述，75kW移相全桥ZVS DC/DC变换器是一种具有巨大潜力和广泛应用前景的电能转换装置。

分析全桥ZVS-PWM变换器的分析与设计

上世纪60年代开始起步的DC/DC PWM功率变换技术出现了很大的发展。

后然经过发展，越来越多在各个领域当中应用。

但由于其通常采用调频稳压控制方式，使得软开关的范围受到限制，且其设计复杂，不利于输出滤波器的优化设计。

本文选择了全桥移相控制ZVS-PWM谐振电路拓扑，在分析了电路原理和各工作模态的基础上，设计了输出功率为200W的DC/DC变换器。

1 电路原理和各工作模态分析1.1 电路原理图1所示为移相控制全桥ZVS—PWM谐振变换器电路拓扑。

Vin为输入直流电压。

Si(i=1.2.3，4)为第i个参数相同的功率MOS开关管。

为了防止桥臂直通短路，S1和S3，S2和S4之间人为地加入了死区时间△t，它是根据开通延时和关断不延时原则来设置同一桥臂死区时间。

S1和S4，S2和S3之间的驱动信号存在移相角α，通过调节α角的大小，可调节输出电压的大小，实现稳压控制。

Lf和Cf构成倒L型低通滤波电路。

图2为全桥零电压开关PWM变换器在一个开关周期内4个主开关管的驱动信号、两桥臂中点电压VAB、变压器副边电压V0以及变压器原边下面对电路各工作模态进行分析，分析时时假设：(1)所有功率开关管均为理想，忽视正向压降电压和开关时时间;(2)4个开关管的输出结电容相等，即Ci=Cs，i=1，2，3，4，Cs为常数;(3)忽略变压器绕组及线路中的寄生电阻;(4)滤波电感足够大。

1.2 各工作模态分析(1)原边电流正半周功率输出过程。

在t0之前，Sl和S4已导通，在(t0一t1)内维持S1和S4导通，S2和S3截止。

电容C2和C3被输入电源充电。

变压器原边电压为Vin，功率由变压器原边传送到负载。

在功率输出过程中，软开关移相控制全桥电路的工作状态和普通PWM硬开关电路相同。

(2)(t1一t1′)：超前臂在死区时间内的谐振过程。

加到S1上的驱动脉冲变为低电平，S1由导通变为截止。

电容C1和C3迅速分别充放电，与等效电感(Lr+n2Lf)串联谐振，在谐振结束前(t2之前)，使前臂中心电压快速降低到一0.7V，使D3立即导通，为S3的零电压导通作好准备。

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路拓扑之一，中、在大功率应用场合更是首选拓扑，很多应用而在场合对其性能都有较高的要求，包括效率、干扰、电磁功率密度和可靠性等。提高开关频率无疑是提高性能最为直接有效的手段。
但开关频率增大意味着开关损耗的增大，为解决这一矛盾，软开
变流技术
《气自化２１年第３卷第３电动）１３０期
ＺＺＳ全桥变换器模型分析及控制系统设计ＶＣ
张宁云程善美
（华中科技大学控制科学与工程系，湖北
武汉
４０７３０４）
摘
要：介绍了滞后桥臂串联二极管的全桥零电压零电流变换器的结构，分析了其工作原理，并利用小信号模型分析方法建立了数学模型，在此模型基础上提出了该全桥零电压零电流变换器的电压电流双环控制策略，最后给出了在ＭＡＬＢＩＬＮＴＡ／ＳＭＵＩＫ仿真环境下应用该控制方案的仿真结果。
ｔａｅａｃｏｅｏｔｎｅｅｂｓｎｔａ￣ｎｎｙｉｍｔｄａａｏｎｏｕｅｉｐｐｒａｄｏｅｈｍｔｍｔａｍｄｌｆｈｃｖｒａｄｏｅｍｌｉａａａｓｅ０ｓｓｉｒｃｄｉｔｓａｅｅｈｉｌｅｏｒｅｔｈｓｌｇｌｌｓｈｗｔｄｌｎｈ．Ｂｓｎｔｅｈ
ｔｅＤＣｍｏｏ．ＡｎｔｈａｔｏｉｌｔｎｒｓｌｙｔｅＭＡＴＡＢＳＭＵＬＮＫｔｏｓｗｒｒｓｎｅ．ｈｔｒｄａｅｌｓ，ｓｍｅｓｍｕａｉｅｕｔｂｈｔｏｓＬ／ＩＩｏｌｅｅｐｅｅｔｄ
Ａｂｔａｔ：ｈｏｏｏｙａｄｏｅａｉｇｐｎｉｌｆＶＺＳＦｌ— ｒｇｏｖｒｅｔｏｄｏｅｅｅｔｅｌｇｉｇｌｇｗａｒｓｎｅ．ＡｎｓｒｃＴｅｔｐｌｇｎｐｒｔｉｃｐｅｏｎＺＣｕｌＢｄｅＣｎｅｔｒｈｔｉｄｓｉｓｒｓｈｔｇｎｓｅｅｔｄｉｗｉｗｎｉｗｉｈａｅｐｄ
关技术应运而生。
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全桥变换器的软开关拓扑结构有很多种，大体都是在原有的拓扑上增加一些辅助的电路Ｊ本文详细介绍了一种结构最为，简单的零电压零电流全桥变换器的结构，析了其工作原理，分并建立其小信号数学模型，同时给出了基于小信号数学模型设计
关键词：软开关
ＺＺＳ变换器ＶＣ
小信号建模
［中图分类号］Ｔ４［Ｍ６文献标志码］Ａ［文章编号］１０３８（０１００４０００— ８６ｌｓｓｏａｙｉｆＺＶＺＣＳｕｌｉｇｎｅｔｒＭｏｅＦｌＢｒｅＣｏｖｒｄｌ — ｄｅ
ｍａｈｍａｉａｄｌｏｔｇｎｕｒｎｏｂｅｌｏｏｔｌｓｈｍｅｗｓｅｔｂｉｅｗｈｃａｉｌｒｗｔｈｏｔｌｓｈｍｅｏｔｅｔｌｍｏｅ，ａｖｌａｅａｄｃｒｅｔｄｕｌｏｐｃｎｒｃｅａｓａｌｈｄ，ｉｈｗｓｓｍｉｉｔｅｃｎｏｃｅｆｃｏｓａｈｒ
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图１移相全桥ＺＺＳ电路拓扑ＶＣ
的电压电流双闭环控制方案。
ｌ１
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１电路拓扑结构及工作模式分析
图１和图２分别是ＺＺＳＶＣ变换器的电路主拓扑结构及主要的电压、电流波形。其中Ｇ、Ｇ组成超前桥臂，３在开通和关断时处于零电压的状态，Ｇ、Ｇ４构成滞后桥臂，开通和关断时处于在
ａｄＣｏｔｏｙｔｍｓｇｎｎｒＩｓｅＤｅｉｎＳ
ＺｈｎｎｙｎａｇＮｉｇｕＣｈｎｇＳａｍｅｅｈｎｉ
（ｅｒｅｔｆＣｎｏＳｉｃＥｇｎｒｇＨａｈｎｎｅｉＳｉｃａｄＴｃｎｌｙＷｈｎＨｂ３０４Ｃｉ）Ｄｐｔｎｏｏｔｌｃｎｅｎｉｅｎ，ｕｚｏｇＵｉｒｔｏｃｎｅｎｅｏｇ，ｕａｕｅ４０７，ｈａａｍｒｅｅｉｖｓｙｆｅｈｏｉｎ
ＫｅｗｏｄｓｆｓｔｈｎＺＺｏｖｒｒｓｌｌｓｎｄｌｎｙｒｓ：ｏｗｉｉｇｔｃＶＣＳｃｎｅｔｍａｉａｍｏｅｌｇｅｇｌｉ
Ｏ引言
全桥变换器拓扑是目前国内ＤＣ—ＤＣ变换器中最常用的电
零电流的状态。
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按照时间段该变换器的工作过程分为６种工作模式，图３如
所示。选定开关管Ｇ的关断时刻为分析的起点，各工作模式分