移相ZVS-PWM全桥变换器综述

移相ZVS-PWM全桥变换器概述摘要:移相ZVS-PWM DC/DC全桥变换器巧妙利用变压器漏感和开关管的结电容来完成谐振过程，使开关管实现零电压开关(ZVS)，从而减少了开关损耗。

重点简述了该类变换器的基本原理，介绍了几种常见的拓扑，并简要地分析了它们的优缺点，最后指出了其发展方向。

关键词:移相全桥变换器零电压开关（ZVS）Overview of Phase Shift ZVS-PWM Full Bridge ConverterAbstract:Phase shift PWM DC/DC full bridge converter completing resonance procedure through leakage inductance of the transformer and junction capacitor of switch. It can make the switch achieve ZVS, decreasing the switching loss and interference .This paper describes the basi c principle of the converter, introduce several common topology, some common topologies as well as their advantages and drawbacks are discussed and analyzed. Finally it points out the development direction of the Converter.Key words:phrase shift，full bridge converter，ZVS引言全桥变换器广泛应用于中大功率的直流变换场合，近些年来，其软开关技术吸引了国内外学者的广泛关注，出现了很多控制策略和电路拓扑，其中移相控制是目前研究较多的控制方式，而以移相全桥零电压开关变换器(FB-ZVS-PWM)应用更为广泛。

这种控制方式实际上是谐振变换技术与常规PWM变换技术的结合，巧妙利用变压器漏感和开关管的结电容来完成谐振过程，实现开关管的ZVS，拓扑结构简洁，开关频率恒定，广泛应用在中、大功率场合。

它通过移相控制方式，使功率开关管实现了软开关导通和关断，减小了开关管损耗，提高了整机频率，提高了功率密度，保持了恒频控制，减小了开关管的电流及电压应力，可实现高频化。

但它也存在滞后臂只能在较窄负载范围内实现软开关、占空比丢失严重、转换效率较低等不足之处。

为解决以上问题，很多学者提出了不同的解决方法，但就目前的技术状况而言，移相全桥ZVS-PWM变换器还有待于进一步研究[1,2]。

1 传统FB ZVS-PWM DC/DC全桥变换器[3,4]该变换器主回路如图1所示。

4个开关管两端并联电容或利用开关管的寄生电容，并利用变压器的漏感即可实现开关管的零电压关断。

而要实现开关管的零电压开通，必须要有回路来释放开关管结电容(或外部附加电容)上的电荷，并给同一桥臂将要关断的开关管结电容(或外部附加电容)充电。

图中桥对角的两个开关管作为一组，每组同时断开或接通，两组轮流工作，在一周期中的短时间内，四个开关将均处于断开状态。

四个开关管导通（或关断）占空比均相等。

该变换器的优点是功率开关管实现了ZVS，减小了开关损耗，降低了开关噪声，提高了效率，并且电路结构简单，保持了恒频率控制。

其主要缺点为：①滞后臂开关管在轻载下很难实现ZVS，通常要增加谐振电感来实现；②漏感或加谐振电感带来占空比丢失；③原边有较大环流；增加了系统的通态损耗，降低了变换效率；④漏感和副边整流二极管及电容会产生电压尖峰和电压振荡，会进一步降低变换效率。

图1 传统FB ZVS PWM DC/ DC变换器拓扑图 2 各开关管的驱动信号2 改进型全桥移相ZVS-PWM变换器[5-12]为了较好的解决上述变换器的缺点，常见的改进拓扑有以下几种2.1 串联饱和电感的改进拓扑采用饱和谐振电感的FB-ZVS-PWM是在变压器的原边串接一个饱和电感L s。

存贮在线性电感中的能量和电感电流的平方成正比，而用可饱和电感代替线性电感时情况则不同。

当理想可饱和电感的电感电流超过临界值时，饱和电感所存贮的能量就成为一个恒定的值。

利用L s 的临界饱和电流特性及储能，来扩大ZVS的负载范围，提高轻载时的输出效率。

此法有效扩大了零电压开关负载范围，保持了最小的环流能量，减小了导通损耗能；抑制初级电流尖峰；改善了输出电压调节特性；减小了副边整流二极管结电容的寄生振荡。

但是，采用这一方法后，电路仍不能达到全工作范围的零电压开关。

另外，饱和电感在实际应用中不可能具有理想的饱和特性，这将会导致：①增加电路环流，从而增大变换器的导通损耗。

②加重了副边电压占空比丢失，从而增大了原边电流及副边二极管的电压应力。

③饱和电感以很高的频率在正、负饱和值之间切换，磁芯的耗损会很大，发热严重。

2.2 有源钳位型改进拓扑针对高压大功率场合整流管的寄生电容与变压器漏感相互作用会导致整流管的浪涌电压及振荡现象的问题，常用的抑制方法是开关管上并联吸收电路，采用无源钳位吸收电路，或使用低漏感变压器及谐振电感等。

存在的问题是吸收电路损耗大、影响效率，或者能抑制电压过冲但无法完全消除振荡现象。

文献[ 5 ]提出一种在整流管输出端并联有源钳位吸收电路的方法，不仅保持了开关管特性，有效抑制整流管电压尖峰和电压震荡，而且钳位回路本身损耗很小，变换器具有较高效率。

2.3 次级整流管侧串联两路饱和电感的改进拓扑文献[ 2]介绍了另一种改进方案，即在变压器次级的整流管侧串联两路饱和电感（图3），以延缓整流管的换流进程，使输出滤波电感参与滞后臂的整个零电压开关过程。

这种方案更有效地扩展了ZVS 的负载范围，缺点是需要使用两个饱和电感，增加了磁芯的功率损耗。

图 3 变压器次级绕组加饱和电感2.4采用饱和电感及次级有源钳位的改进拓扑为了验证上述改进方案的有效性，文献[ 3]研究了采用饱和电感及次级有源钳位的FB-ZVS-PWM变换器，拓扑结构如图4所示。

图中L s为饱和电感，VQs、VDs 和Cs 构成次级有源钳位回路，当变压器次级输出功率时，变压器漏感通过VDs与Cs产生谐振，给Cs充电，同时整流管输出电压被钳位在电容电的稳态值, 因此不再产生电压过冲和振荡。

在变压器次级输出功率的同时，经过一个短暂的延时，触发VQs 导通，这样当漏感与Cs谐振充电电压高于整流管输出电压时，Cs 通过VQs 将能量反馈给负载。

采用次级有源钳位电路后，整流管电压过冲和振荡已完全消除。

图 4 采用饱和电感与有源钳位的FB-ZVS-PWM 变换器2.5增加辅助谐振网络的改进拓扑为了减少占空比的丢失，谐振电感量往往取得很小，而这又会使滞后臂很难实现ZVS。

为了在较小的谐振电感量的情况下滞后臂实现ZVS，文献[8 ]提出了带辅助谐振网络的移相全桥ZVS-PWM变换器，主电路如图5所示，这种电路的基本方法是，给滞后臂并联一个辅助谐振电路，利用辅助电路中的电感帮助漏感实现滞后臂开关管的ZVS。

各个阶段的工作过程用如图6所示的波形分析。

图6中从上到下依次是主电路中超前臂和滞后臂MOS管的控制电压波形，任一对波形都是互补的；超前臂和滞后臂中点电压，可以看出是一个矩形波；全桥两臂之间电压U AB和电流i p的波形，由于移相角的作用，电压波形中出现零电平。

该电路可以在较宽的负载范围内实现ZVS，辅助谐振网络不干扰主回路工作。

但是辅助谐振网络的设计比较困难，并且辅助谐振网络上也有损耗。

此种方法在三相电压型逆变器设计中是最常用的软开关手段之一。

图 5 滞后桥臂增加一个辅助谐振网络图6 各个部分波形示意图3 现状与发展趋势[13,14]综上所述：当前所采用的移相ZVS全桥变换器存在的主要问题有：①变压器的漏感在这类变换器中的影响较大，主要体现在变压器副边占空比的丢失。

②开关管开关时，其外接电容的初始充电电流不是恒定的，因而充放电时间是变化的，致使延迟时间的选择变得很困难针对以上问题，移相ZVS全桥变换器的发展趋势是：①减小漏感，附加辅助电路来帮助实现零电压开关，尽量使变压器副边的占空比丢失降到最低。

②辅助电路要简单可靠，不含主控元件且不处于主功率回路中，而且其耗损不能太大。

4 结束语移相全桥ZVS- PWM软开关电路不仅保持了零电压准谐振电路开关损耗小的优点，而且工作在固定的开关频率。

随着对中大功率开关电源需求量的日益增大，移相控制全桥ZVS-PWM 变换器随之成为研究热点，人们也提出了许多拓扑，但仍然存在一些缺点与不足，因此，移相控制全桥ZVS-PWM变换器新拓扑的研究将是其今后研究热点。

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