張 欣 陳 武 阮新波

（南京航空航天大學(xué)航空電源航空科技重點實驗室 南京 210016）

1 引言

目前很多行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（如“能源之星”標(biāo)準(zhǔn)）都從節(jié)能的角度對變換器效率提出了嚴(yán)格的要求，希望變換器在整個負(fù)載范圍內(nèi)，尤其是在輕載時仍可以高效工作[1]。移相全橋變換器利用變壓器的漏感，外加的諧振電感和開關(guān)管的結(jié)電容實現(xiàn)了零電壓開關(guān)（Zero Voltage Switching，ZVS），廣泛應(yīng)用于中大功率場合[2-6]。由于在輕載時，變壓器漏感和諧振電感的能量不足以實現(xiàn)滯后橋臂的ZVS，此時變換器效率較低，且容易產(chǎn)生EMI等問題。

為了在輕載時實現(xiàn)滯后橋臂的ZVS，可以利用勵磁電感電流[7]或加入輔助電路，利用輔助電感電流來幫助滯后橋臂實現(xiàn)ZVS[8-9]。文獻(xiàn)[10-11]在全橋變換器中增加兩個磁性元件，不但實現(xiàn)了開關(guān)管的ZVS，還可以大大減小輔助電路的額外損耗，但是電路結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。文獻(xiàn)[12]中的輔助網(wǎng)絡(luò)由變壓器和電感構(gòu)成，該變換器利用存儲在輔助電路中的能量來實現(xiàn)滯后橋臂開關(guān)管的ZVS，并且輔助網(wǎng)絡(luò)的電流與變換器的占空比大小成反比，在一定程度上減小了輔助電路的導(dǎo)通損耗，但是當(dāng)變換器的占空比不變時，輔助電路的導(dǎo)通損耗無法減少。

上述各種方法在不同程度上實現(xiàn)了滯后橋臂的ZVS，但是它們存在一個共同的問題，即實現(xiàn)滯后橋臂ZVS的輔助能量基本不變且和負(fù)載電流無關(guān)。重載時，諧振電感中儲存的能量足以實現(xiàn)滯后橋臂的ZVS，此時輔助能量的存在增加了額外的損耗，從而降低了重載情況下的效率。

本文提出一種輔助電流可控的移相全橋 ZVS變換器，在傳統(tǒng)全橋變換器的基礎(chǔ)上加入了由輔助電感和輔助開關(guān)管構(gòu)成的輔助網(wǎng)絡(luò)，該有源輔助網(wǎng)絡(luò)電感的能量根據(jù)負(fù)載的變化而變化，從而保證：①滯后橋臂開關(guān)管在全負(fù)載范圍內(nèi)實現(xiàn)ZVS；②在全負(fù)載范圍內(nèi)輔助網(wǎng)絡(luò)的損耗最小。因此該電路不但在全負(fù)載范圍內(nèi)實現(xiàn)了ZVS，還可以在很寬的負(fù)載范圍內(nèi)實現(xiàn)高的變換效率。

本文首先詳細(xì)分析該變換器的工作原理，然后討論具體參數(shù)的設(shè)計和選取原則，并進(jìn)行效率對比，最后通過一臺 1kW/54V的原理樣機驗證理論分析的正確性。

2 工作原理

圖1為所提出的采用有源輔助網(wǎng)絡(luò)的移相全橋ZVS PWM變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它由傳統(tǒng)的全橋電路和有源輔助網(wǎng)絡(luò)組成，全橋電路由四個開關(guān)管Q1～Q4，變壓器Tr，諧振電感Lr，二次側(cè)整流二極管VDR1、VDR2，輸出濾波電感Lf和輸出濾波電容Cf組成；有源輔助電路由輔助電感 La、開關(guān)管 Q5和Q6組成。

圖1 采用新型有源輔助電路的移相全橋ZVS變換器Fig.1 Novel phased-shifted full-bridge converter with active auxiliary circuit

該電路和文獻(xiàn)[8]提出的電路結(jié)構(gòu)是一樣的，但兩者的工作機理完全不同：①從控制上講，文獻(xiàn)[8]的輔助電感電流是一個與負(fù)載電流無關(guān)的量，而本文的輔助電感電流是隨著負(fù)載電流的變化而變化的，目的是不僅實現(xiàn)滯后開關(guān)管的ZVS，還減少輔助電路的損耗。②從輔助開關(guān)管的角度講，文獻(xiàn)[8]的兩只輔助開關(guān)管在實際應(yīng)用時必須串入二極管，同時反并二極管，且不能實現(xiàn)輔助開關(guān)管的ZVS，而本文中的輔助開關(guān)管不必加入二極管且可以實現(xiàn)ZVS。

圖2為變換器的主要工作波形。

圖2 變換器的主要工作波形Fig.2 Key waveforms of the proposed ZVS FB converter

和傳統(tǒng)的全橋電路相比，本文提出的電路主要特點是增加了一個輔助網(wǎng)絡(luò)：其中輔助開關(guān)管 Q5和 Q6相對于滯后管 Q2和 Q4采用移相控制，即 Q5和Q6分別滯后于Q4和Q2。輔助電路通過檢測負(fù)載電流的大小控制輔助橋臂和滯后橋臂之間的移相角，改變輔助電感兩端的占空比，從而得到合理的輔助電感電流：該輔助電感電流不但幫助滯后橋臂開關(guān)管實現(xiàn)ZVS，還可以將輔助網(wǎng)絡(luò)的損耗維持在一個最小值，使電路保證高的變換效率。

本節(jié)主要分析滯后橋臂實現(xiàn)零電壓開關(guān)時的工作情況，在分析工作原理之前，作如下假設(shè)：①所有開關(guān)管、二極管、電感、電容和變壓器為理想器件。②Lf?Lr/K2（K為變壓器一、二次側(cè)匝比），輸出等效為恒流源 Io。③C1=C2=C3=C4=Cr，C5=C6=Ca。

如圖2中的[t2～t3]時段所示，Q2開通之前，輔助電感電流ia和變壓器一次電流ip共同給Q4結(jié)電容C4充電，給Q2結(jié)電容C2放電，此時輔助電感電流可以近似地看作為一個恒流源 Ia，對應(yīng)的具體電路如圖3所示。

圖3 模態(tài)1工作電路圖Fig.3 Circuit of mode1

由圖3可以得出此時輔助電感電流ia、變壓器一次電流ip和C4電容電壓的表達(dá)式為

由式（2）和式（3）可以看出，ip1的值隨時間的增加而減小，vC4的值隨著時間的增加而增加，當(dāng)vC4的電壓上升到Vin時，可以零電壓開通Q2。

還可能出現(xiàn)另一種情況，當(dāng)變壓器的一次電流ip1減小到負(fù)載折算電流-Io/K時，vC4的電壓仍未上升到Vin，那么變換器將進(jìn)入另一個開關(guān)模態(tài)，如圖4所示，此時的 ip1為折算到一次側(cè)的負(fù)載電流值-Io/K，等效于一個恒流源和輔助電感電流ia共同作用，給電容C2和C4充放電。

圖3和圖4所示兩個模態(tài)的分界時間如圖5所示，定義該時刻為2t′，可由下式表示。

根據(jù)式（3）可以求出2t′時刻 C4上的電壓值，用 VC4_1(2t′)表示

圖4 模態(tài)2工作電路圖Fig.4 Circuit of mode 2

圖5 模態(tài)1和模態(tài)2的分界Fig.5 Dividing of mode1 and mode2

結(jié)合圖 4和式（5）可得該模態(tài)下 ia、ip和 vC4的表達(dá)式為

滯后管 Q2實現(xiàn) ZVS的條件為在 Q2開通之前Q4結(jié)電容的電壓上升到 Vin。由式（3）和式（8）可知，無論是何種工作狀態(tài)，Q4結(jié)電容電壓只和Io和 Ia有關(guān)，因此變換器 Q2實現(xiàn) ZVS的能量將由Ia和Io共同決定。由此可見，根據(jù) Io合理地控制 Ia的大小，不僅可以實現(xiàn)滯后橋臂的ZVS，還可以將輔助電流控制在一個最小值，最大程度地減小輔助網(wǎng)絡(luò)帶來的損耗，從而保證變換器始終高效工作。下面將會詳細(xì)分析Io和Ia間的具體關(guān)系。

3 輔助網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

輔助網(wǎng)絡(luò)的控制思路為：根據(jù)負(fù)載電流控制輔助電感電流的大小，實現(xiàn)滯后橋臂開關(guān)管的ZVS。因此設(shè)計輔助電路的思路為：首先確定輔助電感電流和負(fù)載電流之間的關(guān)系，再選擇輔助開關(guān)管，最后確定輔助電感值的大小。

3.1 輔助電感電流和負(fù)載電流關(guān)系

首先，聯(lián)系輔助電感電流和負(fù)載電流之間關(guān)系的橋梁是：兩者共同作用使得滯后橋臂的開關(guān)管在全負(fù)載范圍內(nèi)實現(xiàn)ZVS。

根據(jù)上一節(jié)工作原理的分析可知，電路有兩種工作狀態(tài)：

（1）當(dāng)ip減小到-Io/K時，Q4結(jié)電容電壓仍未上升到Vin，則電路工作時先后經(jīng)歷了圖3和圖4所示的兩種開關(guān)模態(tài)，定義為工作狀態(tài)I。此時Q4結(jié)電容上的電壓如式（8）所示，從而可得該工作狀態(tài)下，滯后橋臂開關(guān)管實現(xiàn)ZVS的條件為

式（9）即為該工作狀態(tài)下Ia和Io之間的關(guān)系。因為該關(guān)系式是非線性的，在實際電路中難以實現(xiàn)，考慮到VC4_1(2t′)的電壓值在實際中很小，化簡式（9）得

式中 tdead——滯后橋臂開關(guān)管死區(qū)時間。

式（10）為式（9）的充分條件，且為一個線性表達(dá)式，有利于電路的實現(xiàn)。因此選擇式（10）為該工作狀態(tài)下的Ia和Io之間的關(guān)系表達(dá)式。

（2）當(dāng)Q4結(jié)電容電壓上升到Vin時，ip的值還未減小到-Io/K，則電路始終工作在圖3所示的開關(guān)模態(tài)，定義為工作狀態(tài)II。此時Q4結(jié)電容上的電壓如式（3）所示，從而可得該工作狀態(tài)下，滯后橋臂開關(guān)管實現(xiàn)ZVS的條件為

式（11）即為該工作狀態(tài)下Ia和Io之間的關(guān)系。和式（9）一樣，該關(guān)系式呈非線性，需要對其進(jìn)行化簡

式（12）為式（11）的充分條件，且為一個線性表達(dá)式，有利于電路的實現(xiàn)。因此選擇式（12）為該工作狀態(tài)下的Ia和Io之間的關(guān)系表達(dá)式。

結(jié)合式（10）和式（12），圖 6給出了 Ia和 Io在全負(fù)載范圍內(nèi)的關(guān)系曲線。

圖6 輔助電感電流和負(fù)載電流的關(guān)系曲線Fig.6 Curves of Ia and Io

由圖6可知輔助電感電流曲線隨著負(fù)載電流的變化可以分為I、II和III三個部分，它們的解釋分別如下：①當(dāng)Io∈[0，Io1]時，電路處于工作狀態(tài)I，該區(qū)域內(nèi)的輔助電感電流關(guān)系滿足式（10），與負(fù)載電流對應(yīng)的關(guān)系曲線如圖6中的曲線1所示。②當(dāng)Io∈[Io1，Io2]時，電路處于工作狀態(tài)II，該區(qū)域內(nèi)的輔助電感電流關(guān)系滿足式（12），與負(fù)載電流對應(yīng)的關(guān)系曲線如圖6中的曲線2所示。③當(dāng)Io∈[Io2，Iomax]時，滯后橋臂的開關(guān)管依靠諧振電感中儲存的能量已經(jīng)可以實現(xiàn)ZVS，不需要額外的輔助能量，此刻輔助網(wǎng)絡(luò)不工作，輔助電感電流值為 0。圖 6中的Io1為工作狀態(tài)I和工作狀態(tài)II的分界點，如式（13）所示。

Io2為不加輔助網(wǎng)絡(luò)時，滯后橋臂開關(guān)管自然實現(xiàn)ZVS所需的最小負(fù)載電流值如式（14）所示。

綜上所述，可得Ia和Io的關(guān)系式為

3.2 輔助開關(guān)管的確定

確定了 Ia和 Io之間的關(guān)系后，結(jié)合圖6，可以求出流過輔助開關(guān)管的最大電流為

輔助開關(guān)管的電壓應(yīng)力和主電路開關(guān)管一致，根據(jù)電流和電壓應(yīng)力可以選擇合適的輔助開關(guān)管。在實際電路中Ia的值不大，因此輔助開關(guān)管可以選用電流應(yīng)力小的開關(guān)管。

3.3 輔助電感的確定

由圖1所示的電路可知，開關(guān)管Q2、Q4、Q5、Q6構(gòu)成輔助全橋網(wǎng)絡(luò)，通過控制該全橋占空比來調(diào)節(jié) B、C兩點之間的電壓，從而改變輔助電感電流的大小，并且 B、C兩點之間的電壓和幫助滯后橋臂開關(guān)管實現(xiàn)ZVS的輔助電感電流大小成正比，對應(yīng)的工作波形如圖7所示。

圖7 輔助電路主要工作波形Fig.7 Key waveforms of the auxiliary circuit

由圖7可得輔助電感的表達(dá)式為

式中，Da為輔助電感兩端電壓的占空比，當(dāng)輔助電感電流為式（16）所示的最大值時，Da最大，對應(yīng)滿占空比工作，從而得出輔助電感的值為

4 設(shè)計實例

結(jié)合上述分析，本節(jié)在一個傳統(tǒng)全橋變換器的基礎(chǔ)上設(shè)計了它的輔助電路，并給出具體的設(shè)計實例。性能指標(biāo)為：Vin=270（1±10%）V，Vo=54V，Io=20A；fs=100kHz。

4.1 沒加輔助網(wǎng)絡(luò)全橋變換器參數(shù)

沒加輔助網(wǎng)絡(luò)全橋變換器參數(shù)設(shè)計時主要考慮以下兩方面的因素：①滯后橋臂開關(guān)管在半載以上實現(xiàn) ZVS。②輸出濾波電感電流脈動量?iLf為最大輸出電流的20%。

可得沒加輔助電路的全橋變換器參數(shù)為：變壓器一、二次電壓比 K=15/4，諧振電感 Lr=7μH，濾波電感 Lf=65μH，濾波電容 Cf=2000μF，主功率開關(guān)管 IRF460（結(jié)電容 480pF），輸出整流二極管DSEI30-06。

4.2 輔助網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

在主電路參數(shù)基礎(chǔ)上，進(jìn)行輔助電路設(shè)計。

（1）輔助電感電流的確定。將 Vin=270V，Lr=7μH，Cr=480pF（IRF460 結(jié)電容值），K=15/4，tdead=300ns代入式（13）和式（14）可得Io1=3.3A、Io2=10A，結(jié)合式（15）可以得到該電路輔助電感電流和負(fù)載電流的具體關(guān)系為

圖8給出了Ia和Io的具體關(guān)系曲線。需要說明的是在實際工作中當(dāng)負(fù)載電流大于10A（半載）時，輔助電感電流并不為零，而是一個接近于零的極小值，該電流保證輔助開關(guān)管實現(xiàn)ZVS。

圖8 輔助電感電流和負(fù)載電流的關(guān)系曲線Fig.8 Curve of the auxiliary current with load current

（2）輔助開關(guān)管的確定。將相關(guān)參數(shù)代入式（16）可得該電路輔助電感電流的最大值為1.8A，又因為Vin=270V，所以輔助開關(guān)管選用IXYS公司的 IXKP24N60C5（7A/600V）。

（3）輔助電感選取。已知輔助電感電流最大值為 1.8A，又因為電路的開關(guān)頻率為 100kHz，結(jié)合式（18）可得輔助電感的值為La=337μH，實際繞制電感值取330μH。

5 實驗驗證

根據(jù)上述的設(shè)計實例，試制了一臺1kW的原理樣機，其主要實驗參數(shù)和前文一致。

圖9a～圖9c分別給出了輕載（1A）、半載（10A）和滿載（20A）時滯后管的驅(qū)動電壓 vGS、漏-源極電壓 vDS及漏極電流 iD波形。從圖中可以看出，變換器滯后橋臂開關(guān)管在全負(fù)載范圍內(nèi)實現(xiàn)了ZVS。

圖9 不同負(fù)載時滯后管vGS、vDS和iD波形Fig.9 Lagging switch’s waveforms of vGS、vDS and iD

圖 10a～圖 10c分別給出了輕載（1A）、半載（10A）和滿載（20A）時輔助開關(guān)管的驅(qū)動電壓vGS、漏-源極電壓vDS及漏極電流iD波形。從圖中可以看出，變換器輔助開關(guān)管在全負(fù)載范圍內(nèi)也實現(xiàn)了 ZVS。

圖10 不同負(fù)載時輔助管vGS、vDS和iD波形Fig.10 Auxiliary switch’s waveforms of vGS、vDS and iD

圖11a～圖11c分別給出了負(fù)載電流為1A、10A和 20A時的一次電壓 vAB、一次電流 ip、輔助電感電壓vBC和輔助電感電流iLa的波形，可以看出在全負(fù)載范圍內(nèi)變換器正常工作，輔助電感電流和負(fù)載電流的關(guān)系和圖8所示的設(shè)計曲線相一致。

圖9～圖11的實驗波形證明了電路原理的正確性，并證明了滯后橋臂和輔助橋臂在全負(fù)載范圍內(nèi)都可以實現(xiàn)ZVS。

圖12給出了全橋變換器加輔助網(wǎng)絡(luò)前后的效率對比曲線，圖12a是輸入電壓為額定電壓270V，不同輸出電流時的效率對比曲線。圖12b中分別為輕載（1A）和滿載（20A）在不同輸入電壓下的效率對比曲線。

圖11 不同負(fù)載時 vAB、ip、vBC和 iLa波形Fig.11 Waveforms of vAB、ip、vBC and iLa

可以看出：①本文提出的變換器在半載之前的效率明顯高于沒加輔助網(wǎng)絡(luò)的全橋變換器，這是因為沒加輔助電路的全橋變換器在半載之前沒有實現(xiàn)ZVS，而加入輔助電路后的變換器實現(xiàn)了 ZVS；②在半載后，本文提出的變換電路效率略低于沒加輔助電路的全橋變換電路，這是因為，沒加輔助電路的全橋變換器在半載后已經(jīng)可以實現(xiàn)ZVS。此時輔助電感中還流過一個很小的輔助電流幫助輔助開關(guān)管實現(xiàn)ZVS，從而增加了一定的導(dǎo)通損耗，但此時的輔助電感電流值很低（如圖11c所示），導(dǎo)通損耗很小，對效率的影響很?。ǎ?.1%）。

圖12 整機變換效率Fig.12 Conversion efficiency

根據(jù)上述的實驗結(jié)果和分析，可知本文提出的變換器不但在全范圍內(nèi)實現(xiàn)了ZVS，而且效率明顯優(yōu)于沒加輔助電路的全橋變換器。這是因為輔助電感電流受負(fù)載電流控制，始終保證在實現(xiàn)ZVS的基礎(chǔ)上輔助電路額外損耗最小。

6 結(jié)論

本文提出了一種可在全負(fù)載范圍內(nèi)實現(xiàn) ZVS的輔助電流可控的移相全橋變換器，詳細(xì)地分析了該變換器的工作原理、參數(shù)設(shè)計，并給出了設(shè)計實例，通過一臺1kW的實驗樣機驗證了理論分析的正確性。通過和沒加輔助網(wǎng)絡(luò)的全橋變換器對比表明，該電路的優(yōu)點為：輔助電流受負(fù)載電流控制，不但在全負(fù)載范圍內(nèi)實現(xiàn)了ZVS，而且效率明顯優(yōu)于沒加輔助電路的全橋變換器，因此十分適合于中大功率的應(yīng)用場合。

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