全桥移相软开关(好)

全桥移相软开关变换器结构分析

作者：周志敏 上传时间：2004-12-9 8:45:13

摘要摘要：： 文中分析了全桥移相控制ZVS 和ZVZCS 变换器存在的不足，针对全桥ZVZCS 软开关方案存在的问题，介绍了PS －FB －ZVZCS-PWM 电路。

Abstract ： In this paper analyze PS －FB －ZVS-PWM and PS －FB －ZVZCS-PWM convertor exist issue ，be dead against issue ，introduce no-symmetry PS －FB －ZVZCS-PWM circuit 。 1 引言

在DC/DC 变换器中，则以全桥移相控制软开关PWM 变换器的研究十分活跃，它是直流电源实现高频化的理想拓扑之一，尤其是在中、大功率的应用场合。移相控制方式是全桥变换器特有的一种控制方式，它是指保持每个开关管的导通时间不变，同一桥臂两只管子相位相差1800。对全桥变换器来说，只有对角线上两只开关管同时导通时变换器才输出功率，所以可通过调节对角线上的两只开关管导通重合角的宽度来实现稳压控制。如果我们定义此导通重合角的脉宽为输出脉宽的话，实际上就成为ＰＷＭ控制方式。因此，人们也称此类变换器为移相全桥PWM （PS －FB －PWM ）变换器。通常定义首先开通的两只开关管为超前桥臂，后开通的两只开关管为滞后桥臂。

2 移相调宽零压变换器

1.移相调宽变换器的基本工作原理

移相调宽桥式变换器的主电路如图1所示。图中S1、S2、S3、S4表示器件内部的开关管，VDs1、VDs2、VDs3、VDs4表示器件内部的反并联二极管，Cs1、Cs2、Cs3、Cs 4表示器件的输出电容与外接电容的总和，CP 表示变压器T 的各种杂散电容之和。Lr 是为改善换流条件而接入的，称为换流电感。与传统的PWM 桥式电路相比，除增加了Lr 及V D1、VD2之外，电路拓扑并无太大差别。其区别在于控制方式不同。传统的PWM 控制方式是对角线上的两个开关管同时通/断，其驱动及输出波形如图2（a ）所示，图中Ug1、U g2、Ug3、Ug4分别表示4只开关管的驱动信号。当桥路开通(S1、S4或S2、S3同时开通)时，能量由电源传向负载；当桥路关断（所有器件均不开通）时，变压器T 原边电流为零，负载电流由变压器T 副边整流二极管续流，副边两绕组内电流大小相等而方向相反，使主变压器保持磁平衡。一个开关周期可分为四个区间，即两个能量传输期，两个间歇期。

如果把Ug1、Ug2的前沿向前展宽，使其宽度接近Ts/2，把Ug3、Ug4的后沿向后展宽，使其宽度接近Ts/2，就得到如图2（b）所示的驱动信号。由图3可知，左边桥臂的驱动信号比右边桥臂的驱动信号超前，即Ug1比Ug4超前，Ug2比Ug3超前，故称左桥臂为超前桥臂，右桥臂为滞后桥臂。这样安排的驱动信号也把一个开关周期划分为四个区间，对角线上的两个开关管同时开通的两个区间，即S1、S4（或S2、S3）同时开通，在这两个区间内，能量由电源传向负载，我们称之为有源期。与电源的同一条母线相联结的两个器件同时开通的两个区间，即VDs1、S3（或VDs2、S4）同时开通，在这两个区间内，变压器原边电流经Lr而形成惯性环流，无外界能量输入，称之为无源期。

就桥臂中点C、B之间的电压而言，传统PWM与移相PWM方式并无明显差异。也就是说，两种控制方式下，能量传输期的工作状况并无明显差异。而移相PWM方式下的无

移相全桥软开关变换器具有全桥变换器的优点，即功率开关器件电压、电流额定值小，功率变压器利用率高；而且，它充分利用电路中的寄生参数（漏感、寄生电容等），实现了功率管的软开关；开关损耗小，可实现高频化；控制方法简单（脉宽恒定，只控制移相）。但是，为这些优点付出的代价是：PS－FB－PWM软开关变换器存在着占空比的丢失现象。为了实现滞后桥臂的软开关，变压器原边回路中必须存在一定的电感量（变压器漏感或串联电感），此电感串联在功率传输回路中，势必造成一定的损耗，其上的压降即为占空比的丢失。同时，滞后桥臂实现软开关的范围也因此受到限制。PS－FB－ZVZCS－PWM变换器中为实现滞后桥臂ZCS而在原边串联了饱和电感而非线性电感的原因就是为了减小占空比的丢失。

4不对称全桥相移式零压零流变换器

但是经过仔细分析这几种方案，还是有如下不足之处：这几种方案都是在变压器的原边采取措施实现ZVZCS软开关，为了使原边电流复位，它们都付出了使原边损耗加大的代价。饱和电感是有损耗器件，且在开关频率较高时，损耗会加大，对饱和电感磁芯材料的要求也很高，不易产品化。滞后臂的开关管串联二极管会增加功率传输时的损耗，二极管的发热量不小，需要散热器固定。利用IGBT的反向雪崩击穿电压使原边电流复位则是使变压器原边漏感能量消耗在IGBT上，且受IGBT反向雪崩击穿能量的限制，影响IGBT的可靠运用。

这几种方案由于在副边都没有采取措施，则为了防止在副边整流管换流时，变压器漏感与整流管寄生电容的强烈振荡和由于二极管反向恢复电流引起的整流管电压应力过高，势必要在整流管上加RC吸收，以降低反向尖峰电压，此时RC吸收电路会带来损耗，且反向尖峰电压的抑制作用达不到最佳效果，同时易引起较大的开关噪音。在选择整流管的耐压定额时，要考虑此反向尖峰电压的影响。

针对全桥ZVZCS软开关方案的问题，提出的不对称全桥相移式零压零流（PS-ZVZCS -PWM）软开关电路，与前述几种方案相比有如下优势：

（1）主变压器原边电路无有损器件，原边损耗降至最低，整个电路也无外加有损吸收器件，大大提高整机的变换效率。

（2）由于在变压器副边采取了有源钳位的措施，RC吸收电路可以取消，降低损耗，且二极管反向尖峰电压的抑制效果最佳，在选择整流管的耐压定额时，可以取低一级耐压的二极管，利于进一步提高效率和可靠性，同时由整流管寄生参数引起的振荡也大大减弱。

（3）在使原边电流复位的时间上，此方案与前述几种方案相比，时间是最短的，而且此方案基本不存在副边占空度的丢失问题，在最大占空度的利用率上，此方案最佳。