范學(xué)磊，劉 平，張本庚

（鄭州大學(xué) 信息工程學(xué)院，河南 鄭州 450001）

移相控制的全橋PWM變換器是最常用的中大功率DC/DC變換電路拓?fù)湫问街?。移相PWM控制方式利用開關(guān)管的結(jié)電容和高頻變壓器的漏電感或原邊串聯(lián)電感作為諧振元件，使開關(guān)管能進行零電壓開通和關(guān)斷，從而有效地降低了電路的開關(guān)損耗和開關(guān)噪聲，減少了器件開關(guān)過程中產(chǎn)生的電磁干擾，為變換器提高開關(guān)頻率、提高效率、減小尺寸及減輕質(zhì)量提供了良好的條件[1-3]。

然而，傳統(tǒng)的移相全橋變換器的輸出整流二極管存在反向恢復(fù)過程，會引起寄生振蕩，二極管上存在很高的尖峰電壓[4]，需增加阻容吸收回路進行抑制，文獻[5]和[6]分別提出了兩種帶箝位二極管的拓?fù)?，可以很好地抑制寄生振蕩。本文采取文獻[6]提出的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，設(shè)計了一臺280 W移相全橋軟開關(guān)DC/DC變換器，該變換器輸入電壓為 194～310 V，輸出電壓為76 V。

1 主電路拓?fù)浼肮ぷ鬟^程分析[6]

本設(shè)計所采用的主電路拓?fù)淙鐖D1所示。其中VQ1～VQ4為4個開關(guān)管，VD1～VD4分別是4個開關(guān)管的寄生二極管，C1～C4分別為4個開關(guān)管的結(jié)電容和外接電容，VQ5和VQ6是2個箝位二極管，Lr是諧振電感，VDR1和VDR5為輸出整流二極管，CDR1和CDR2為輸出整流二極管的等效并聯(lián)電容。VQ1和VQ3組成超前橋臂，VQ2和VQ4組成滯后橋臂，每個橋臂的2個開關(guān)管互補180°導(dǎo)通，2個橋臂的導(dǎo)通角相差1個相位，即移相角，通過調(diào)節(jié)該相位就可以調(diào)節(jié)輸出電壓。這種拓?fù)渫ㄟ^增加2個箝位二極管VQ5、VQ6來消除次級整流管反向恢復(fù)引起的電壓振蕩，減小了次級整流管的電壓應(yīng)力，并且箝位二極管VQ5、VQ6，在一個周期里分別只導(dǎo)通一次，減小了二極管VQ5，VQ6的電流損耗，提高了變換器的效率。

圖1 主電路拓?fù)?/p>

圖2為變換器的工作波形，其中，iLr為Lr上的電流，ip為變壓器原邊電流，UAB為A、B兩點電壓差，iD5為VD5的電流，iD6為VD6的電流。

圖2中，在一個開關(guān)周期中，該變換器有16種開關(guān)狀態(tài)，這里只分析前8種狀態(tài)。在分析前，先作如下假設(shè)：除輸出整流二極管外，所有開關(guān)管、二極管、電感和電容均為理想器件；變壓器的漏感很小，可以忽略不計；Lf? Lr/K2（K是變壓器原副邊匝比）；輸出整流二極管等效為一個理想二極管和一只電容的并聯(lián)。

圖2 變換器工作波形

1）狀態(tài) 1[t0，t1]：在 t0時刻以前，VQ1，VQ4和 VDR1導(dǎo)通。 在 t0時刻，VQ1關(guān)斷，諧振電感上的電流iLr對C1充電，對 C2放電，由于有C1和C2，VQ1為零電壓關(guān)斷，VD5和VD6不導(dǎo)通。

2）狀態(tài) 2[t1，t2]：t1時刻，C3的電壓降為 0，VD3自然導(dǎo)通，此時可以零電壓開VQ3。CDR2繼續(xù)放電，iLr和變壓器原邊電流ip繼續(xù)下降。

3）狀態(tài) 3[t2，t3]：t2時刻，CDR2完全放電，VDR2導(dǎo)通，2 個整流二極管都導(dǎo)通，副邊短接，iLr和ip相等，處于自然續(xù)流狀態(tài)。

4）狀態(tài) 4[t3，t4]：t3時刻，關(guān)斷 VQ4， ip給 C2放電，給 C4充電，iLr和 ip相等，一起線性下降，由于有 C2和 C4，VQ4是零電壓關(guān)斷。

5）狀態(tài) 5[t4，t6]：t4時刻，VD2導(dǎo)通，VD2能夠零電壓開通。 t5時刻，ip由正向過零，且向負(fù)方向增加，由于ip不足以提供負(fù)載電流，VDR1和 VDR2仍然導(dǎo)通，Vin全部加在 Lr上，iLr和 ip同時線性負(fù)增長。

6） 狀態(tài) 6[t6，t7]：t6時刻，VDR1關(guān)斷，VDR2流過全部負(fù)載電流。Lr與CDR1諧振，給CDR1充電，iLr和ip繼續(xù)線性負(fù)增長。

7）狀態(tài) 7[t7，t8]：t7時刻，CDR1電壓上升到 2Vm，VD6導(dǎo)通，將原邊電壓箝位在Vin，因此CDR1電壓被箝位在2Vin/K，到t8時刻，ip等于 iLr，VD6關(guān)斷。

8）狀態(tài) 8[t8，t9]：在此狀態(tài)中，原邊給負(fù)載提供能量，iLr和ip相等。

2 磁性元器件設(shè)計

2.1 變壓器設(shè)計

變壓器原副邊匝數(shù)比為

式中，Vinmin為輸出電壓最小值，Vo為輸出電壓，VD為輸出整流二極管壓降，Dmax為副邊最大占空比，這里取為0.8，因此，匝數(shù)比K取為2。

用鐵氧體磁芯EE55繞制該變壓器，原邊用7根線徑為0.33 mm的漆包線并繞28匝，副邊用11根線徑為0.33 mm的漆包線并繞14匝。

2.2 輸出濾波電感設(shè)計

輸出濾波電感應(yīng)能夠存儲足夠大的能量，能夠在次級整流管自然續(xù)流時為負(fù)載提供連續(xù)的電流。當(dāng)變換器輸入為310 V時，續(xù)流時間最大，為：

式中，濾波電感上電流的脈動量ΔiLf=20%Iomax，因此，Lf取為330 μs。

用鐵氧體磁芯PQ40繞制該電感，用18根線徑為0.33 mm的漆包線并繞31匝，氣隙為0.7 mm。

2.3 諧振電感設(shè)計

超前臂利用濾波電感和諧振電感的能量很容易實現(xiàn)軟開關(guān)，而滯后臂只能利用諧振電感的能量來實現(xiàn)軟開關(guān)，相對超前臂來說，滯后臂只能在較窄的負(fù)載范圍內(nèi)實現(xiàn)軟開關(guān)。為了實現(xiàn)滯后臂的軟開關(guān)，必須滿足：

式中，Coss為開關(guān)管的寄生和外接電容，為300 pF，I為滯后臂關(guān)斷時原邊電流的大小，而變換器在1/3滿載時

因此，Lr取為 120 μH。用鐵氧體磁芯 PQ40繞制該電感，用7根線徑為0.33 mm的漆包線并繞 32匝，氣隙為2 mm。

3 實驗結(jié)果

本文設(shè)計的變換器的主要參數(shù)如下：Vin=194~310 V，Vo=76 V，Pomax=280 W，K=2，f=80 kHz，Lr=120 μH，Lf=330 μH，Co=3 000 μF，開關(guān)管采用 12N60，Coss=300 pF。

圖3為超前臂的ZVS波形，圖4為滯后臂的ZVS波形。輸入電壓為250 V，VGS為驅(qū)動電壓，VDS為漏源電壓，由圖3和圖4可以看出變換器的超前臂和滯后臂都可以實現(xiàn)零電壓開通。

圖5為輸出整流二極管VDR1電壓波形，VDR1為VDR1兩端的端電壓，由圖5可知，VDR1關(guān)斷后，經(jīng)過很小一段時間，箝位二極管VD6開通，將VDR1箝位，沒有出現(xiàn)電壓振蕩，當(dāng)VD6截止后，出現(xiàn)了很小的電壓振蕩，電壓尖峰值不大于箝位電壓，因此次級整流管的的電壓應(yīng)力可以大大減小。

圖3 超前臂ZVS波形

圖4 滯后臂ZVS波形

圖5 VDR1電壓波形

4 結(jié) 論

本文分析了一種移相全橋軟開關(guān)變換器的拓?fù)?，在分析的基礎(chǔ)上設(shè)計了一臺280 W的軟開關(guān)DC/DC變換器，該變換器在變壓器原邊采用2個箝位二極管。實驗證明，該方案在實現(xiàn)開關(guān)管零電壓開關(guān)的同時，能夠有效地抑制輸出整流二極管反向恢復(fù)所帶來的電壓振蕩，減小了次級整流二極管的電壓應(yīng)力。

[1]張勇強，金新民，張斌斌.改進型移相全橋ZVZCS直流變換器[J].變流技術(shù)與電力牽引，2007（1）：33-38.

[2]陳堅.電力電子學(xué)-電力電子變換和控制技術(shù) [M].北京：高等教育出版社，2002.

[3]呂延會，張元敏，羅書克.移相全橋零電壓軟開關(guān)諧振電路研究[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2009，37（5）：71-74.

[4]阮新波，嚴(yán)仰光.脈寬調(diào)制DC/DC全橋變換器的軟開關(guān)技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，2001.

[5]Redl R，Sokal N O，Balogh L.A novel soft-switching full-bridge DC/DC converter： analysis， design considerations，and experimental results at 1.5kW，100kHz[J].IEEE Trans on power Electronics， 1991，6（3）：408-418.

[6]RUAN Xin-bo，LIU Fu-xin.An improved ZVS PWM full-bridge converterwith clamping diodes [C].PowerElectronics Specialists Conference，2004（2）：1476-1481.