陳 仲 陳 淼 季 鋒 史良辰

（南京航空航天大學(xué)航空電源航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 南京 210016）

1 引言

移相全橋變換器廣泛應(yīng)用于中大功率輸出場合，具有電路結(jié)構(gòu)簡單、開關(guān)頻率固定、高效率、高功率密度和電磁干擾小等優(yōu)點(diǎn)[1-4]。傳統(tǒng)零電壓開關(guān)(Zero-Voltage-Switching, ZVS)移相全橋變換器利用變壓器一次漏感和開關(guān)管寄生電容之間的諧振實(shí)現(xiàn)了功率管的ZVS。然而傳統(tǒng)的全橋ZVS變換器存在一些缺點(diǎn)，包括二次占空比丟失、環(huán)流損耗大以及變壓器二次側(cè)存在嚴(yán)重的電壓尖峰和電壓振蕩。為了提高移相全橋變換器的性能，克服其缺點(diǎn)，可以通過在變壓器一次側(cè)串聯(lián)飽和電感[5,6]，變壓器一次側(cè)增加一個諧振電感和兩只鉗位二極管[7,8]，變壓器二次側(cè)添加有源鉗位電路[9]和滯后臂 LC無源輔助網(wǎng)絡(luò)[10]等方法來改善電路。但是大多數(shù)改進(jìn)方案由于輔助支路與負(fù)載電流的非直接耦合性，滿載時的效率會有所降低。

文獻(xiàn)[11-15]提出了一些基于無源輔助網(wǎng)絡(luò)的全橋變換器，該系列拓?fù)漭o助網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生的能量隨著負(fù)載的變化而自適應(yīng)的變化。在滿載時，輔助網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的能量最??；而在輕載時，主要依靠儲存于輔助網(wǎng)絡(luò)中的能量來實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的軟開關(guān)。但是加入的輔助支路與主電路屬于串聯(lián)關(guān)系，電流應(yīng)力相對較大，且在一定程度上影響了變換器的可靠性。

基于上述研究背景，本文提出一種采用新型無源輔助網(wǎng)絡(luò)的移相全橋ZVS變換器，在傳統(tǒng)移相全橋變換器的基礎(chǔ)上加入了由感性元件和電容構(gòu)成的輔助網(wǎng)絡(luò)；輔助電流支路與主變壓器處于并聯(lián)的關(guān)系，其對主電路功率傳輸并不產(chǎn)生影響。該電路不但在全負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了原邊所有開關(guān)管的ZVS，還可以在很寬的負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高的變換效率。本文首先詳細(xì)分析了該變換器的工作模式及變換器特性，然后討論具體參數(shù)的設(shè)計(jì)和選取原則，最后通過一臺1kW、54V的原理樣機(jī)驗(yàn)證理論分析的正確性。

2 電路拓?fù)渑c工作原理

圖1為所提出的采用無源輔助網(wǎng)絡(luò)的移相全橋ZVS PWM變換器的電路圖。S1、S3組成超前橋臂，S2、S4組成滯后橋臂。構(gòu)成輔助網(wǎng)絡(luò)的無源器件由輔助電感La、匝數(shù)比為1∶1的輔助變壓器Tra、隔直電容Ca1和Ca2組成。在分析原理之前，先作如下假設(shè)：①所有的開關(guān)管和二極管均為理想器件；②所有電感、電容和變壓器均為理想元件；③C1=C3=Clead，C2=C4=Clag；④Ca1=Ca2=Ca且容量較大，其兩端電壓為Vin/2。變換器分別在半個周期有5個工作模態(tài)，圖2和圖3分別給出了變換器的主要工作波形和該變換器在不同開關(guān)狀態(tài)下的等效電路給出新型移相全橋ZVS變換器的主電路。

圖1 新型的ZVS PWM 全橋變換器Fig.1 Proposed ZVS PWM full-bridge converter

（1）開關(guān)模態(tài)1[t0～t1]：如圖3a所示。在t0時刻之前，S1和 S4導(dǎo)通，S2和 S3截止，vAB=Vin，上整流二極管 VDR1流過全部負(fù)載電流，VDR2截止，一次電流為ip=Io/K（K為主變壓器Tr一二次側(cè)匝比）。由于隔直電容Ca1、Ca2的電壓均為1/2Vin，因此主變壓器兩端電壓為Vin，vLa=0，iLa1維持正向最大值ILa不變。在 t0時刻，關(guān)斷 S1，一次電流 ip轉(zhuǎn)移到 C1和 C3中，一方面抽走 C3上的電荷，同時又給 C1充電，在 C1和 C3的緩沖下，S1近似零電壓關(guān)斷，vAB由 Vin逐漸降為零，輔助電感承受反壓，iLa由最大值開始減小，但是時間很短，認(rèn)為模態(tài)1中，流經(jīng)輔助電感的電流近似不變，從而有

在t1時刻，C3的電壓下降到零，VD3自然導(dǎo)通。

（2）開關(guān)模態(tài) 2[t1～t2]：如圖 3b所示。在 t1時刻之后，VD3導(dǎo)通將S3的電壓鉗在零位，可以零電壓開通S3，S1、S3驅(qū)動信號之間的死區(qū)時間td(lead)＞t01。A點(diǎn)電位下降為零，所以 vAB為零，一次側(cè)不向負(fù)載提供能量。此時輔助電感La承受的電壓為Vin/2，流過La的電流為

模態(tài)2持續(xù)的時間為

圖2 新型全橋變換器的主要波形Fig.2 Key waveforms of novel full-bridge converter

（3）開關(guān)模態(tài) 3[t2～t3]：如圖 3c所示。在 t2時刻關(guān)斷 S4，流入滯后橋臂的電流給 C4充電，同時給 C2放電，S4為零電壓截止。vAB＜0，VDR1、VDR2同時導(dǎo)通，變壓器一二次繞組端均為零電壓，vAB直接加在一次漏感Lk上。漏感Lk與電容C2、C4諧振工作，因?yàn)闀r間很短，因此認(rèn)為La中的電流不變。一次電流ip、C2和C4的電壓分別為

（4）開關(guān)模態(tài) 4[t3～t4]：如圖 3d所示。VD2導(dǎo)通后，可以零電壓開通S2。S2、S4驅(qū)動信號之間的死區(qū)時間td(lag)＞t23。V2導(dǎo)通后，vAB= -Vin。此時二次側(cè)兩個整流管仍然同時導(dǎo)通，因此變壓器一次繞組電壓為零，輸入電壓 Vin直接加在漏感 Lk上，一次電流ip先線性下降再反向線性上升。

（5）開關(guān)模態(tài) 5[t4～t5]：如圖 3e所示。在 t4時刻，ip= -Io/K，VDR1關(guān)斷，VDR2流過全部負(fù)載電流，電源給負(fù)載供電。t5時刻變換器進(jìn)行后半個周期的工作，其工作情況類似于上述的半個周期，不再贅述。

圖3 各種開關(guān)狀態(tài)下的等效電路Fig.3 Equivalent circuits of each operation stage

3 輔助網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)計(jì)

電路工作占空比D與輸出電流Io有如下的關(guān)系[1]：

式中，fs為開關(guān)頻率；K為變壓器電壓比。

根據(jù)式（8）可以得到電路工作占空比D、漏感Lk以及輸出電流Io的關(guān)系曲線，如圖4所示。從圖中可以看出，當(dāng)漏感Lk增加時，電路工作占空比D增加；當(dāng)輸出電流Io增加時，電路工作占空比D也呈現(xiàn)遞增的趨勢。根據(jù)式（4）可知，輔助電感電流幅值與電路工作占空比D成反比例關(guān)系，當(dāng)負(fù)載電流減小時，輔助電感La儲存的能量隨著負(fù)載電流的減小而自適應(yīng)的增加。

圖4 占空比與漏感以及輸出電流的關(guān)系曲線Fig.4 Duty cycle versus load current at different leakage inductances

要想實(shí)現(xiàn)整個輸入電壓和全負(fù)載范圍內(nèi)所有開關(guān)管的ZVS，關(guān)鍵在于輔助網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)。輔助網(wǎng)絡(luò)的選取主要包括感性元件和輔助電容的選取。

3.1 輔助電感La的選取

對于超前管S1和S3而言，實(shí)現(xiàn)ZVS主要是依靠輸出濾波電感 Lf中的能量和輔助電感 La中儲存的能量，因此超前管ZVS比較容易實(shí)現(xiàn)。對于滯后管S2和S4而言，實(shí)現(xiàn)ZVS主要是依靠儲存于漏感Lk中的能量和輔助電感La的能量，因此滯后管ZVS實(shí)現(xiàn)相對較困難。滯后管實(shí)現(xiàn)ZVS的條件可以表示為

根據(jù)式（4）、式（8）和式（9），可以畫出整個輸入電壓和負(fù)載范圍內(nèi)滯后管ZVS實(shí)現(xiàn)的關(guān)系圖，如圖5所示。其中圖形Ⅲ為滯后管實(shí)現(xiàn)ZVS所需的能量，圖形Ⅰ和圖形Ⅱ分別給出了輔助電感 La為35μH和60μH時變換器可提供滯后臂實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)的能量（Lk=5μH）。圖形Ⅰ與圖形Ⅲ不存在交疊，且位于圖形Ⅲ之上，表明當(dāng)輔助電感La=35μH時，滯后管在全負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了 ZVS。而當(dāng)輔助電感La=60μH，在低輸入電壓某些負(fù)載范圍時，滯后臂軟開關(guān)難以實(shí)現(xiàn)。這是因?yàn)榈洼斎腚妷狠p載時，電路工作占空比D仍然較大，此時輔助電感La所提供的能量較小，導(dǎo)致滯后臂無法實(shí)現(xiàn)ZVS。

圖5 整個輸入電壓和負(fù)載范圍滯后臂ZVS實(shí)現(xiàn)關(guān)系圖Fig.5 ZVS for the lagging leg over the entire conversion range

圖6給出了輸入電壓 Vin=300V，Lk=5μH時，輔助電感La、輸出電流Io以及滯后臂實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)的能量的關(guān)系曲線。圖形Ⅰ為滯后管實(shí)現(xiàn)ZVS提供的能量，圖形Ⅱ?yàn)闇蟊蹖?shí)現(xiàn)ZVS所需的能量。從圖中可以看出，在輔助電感La一定的情況下，滯后臂實(shí)現(xiàn)ZVS最困難的時刻并非空載，而是在某個特定負(fù)載情況下，因此設(shè)計(jì)中需保證滯后管實(shí)現(xiàn)ZVS的能量在最低點(diǎn)時必須滿足式（9）。

圖6 輸出電流、輔助電感以及滯后臂軟開關(guān)實(shí)現(xiàn)關(guān)系圖Fig.6 ZVS for the lagging leg between output current and auxiliary inductance

從圖5和圖6可知，輔助電感La的選取與負(fù)載電流 Io及輸入電壓 Vin之間有著密切的關(guān)系：輸入電壓越低，電路工作占空比越大，此時輔助電感提供的能量越?。惠o助電感越小，滯后臂越容易實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，但過小的輔助電感會帶來原邊開關(guān)管較大的導(dǎo)通損耗，因此輔助電感值應(yīng)在滿足變換器實(shí)現(xiàn)全負(fù)載范圍ZVS條件下盡可能的大。由于不需要完全依靠漏感的能量實(shí)現(xiàn)滯后臂的軟開關(guān)，主變壓器漏感可以盡可能取的比較小，從而可以適當(dāng)增加主變壓器一二次匝比，進(jìn)一步降低變換器的通態(tài)損耗，提高變換器的效率；同時主變壓器漏感的最小化可以大大降低二次電壓、整流二極管尖峰電壓和振蕩電壓。

3.2 輔助變壓器的設(shè)計(jì)和隔直電容的選取

輔助變壓器不參與主功率能量傳輸，并不需要儲存能量，因此用較小的磁心即可實(shí)現(xiàn)。本文中采用的輔助變壓器最后選取EE33磁心進(jìn)行繞制。

電路中Ca1和Ca2相當(dāng)于穩(wěn)壓源，設(shè)計(jì)時應(yīng)保證每個開關(guān)周期內(nèi)隔直電容上的電壓值（Vin/2）不變，則必須使輔助電感 La和輔助電容 Ca之間的諧振周期至少大于5倍的開關(guān)周期[15]，即

根據(jù)式（10），可得到

由式（11），可得到隔直電容Ca1的取值。同時考慮到須控制隔直電容電壓紋波小于其最大電壓的1%。本文根據(jù)電路參數(shù)最后可選取 Ca1=2.2μF。此處為簡化設(shè)計(jì)，選取Ca=Ca1=Ca2=2.2μF的無感電容。

在實(shí)際的電路中，由于流經(jīng)超前橋臂的電流有效值超出流經(jīng)滯后橋臂的電流有效值，因此考慮到電路的綜合性能，超前橋臂與滯后橋臂可以選取不同電流應(yīng)力的開關(guān)管，以提高變換器的工作效率和綜合性能。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證該新型全橋變換器的工作原理，在實(shí)驗(yàn)室完成了一臺1kW原理樣機(jī)，其參數(shù)如下：輸入直流電壓Vin=300～400V；輸出直流電壓Vo=54V；輸出電流 Io=20A；S1～S4：IRFP460；輸出整流二極管 VDR1和 VDR2：MUR3040；主變壓器 Tr匝比14∶3∶3；輔助電容 Ca1=Ca2=2.2μF；輔助變壓器Tra匝比 12∶12；輔助電感 La=35μH；開關(guān)頻率fs=100kHz。

圖7給出了 Vin=300V及 400V時，輸出輕載（10%負(fù)載）超前臂、滯后臂的開關(guān)管電壓及驅(qū)動波形。圖7表明該電路拓?fù)湓诤茌p負(fù)載的條件下依然可以實(shí)現(xiàn)整個輸入電壓范圍內(nèi)一次側(cè)所有開關(guān)管的零電壓開關(guān)。對于傳統(tǒng)移相全橋超前臂而言，由于死區(qū)時間有限，在規(guī)定的死區(qū)時間內(nèi)，其已經(jīng)失去了軟開關(guān)條件。

圖7 不同輸入電壓下10%負(fù)載時開關(guān)管驅(qū)動電壓、漏源極電壓波形Fig.7 Drive voltage and drain to source voltage of the leading and the lagging leg at 10% load at different input voltages

圖8給出了不同輸入電壓下，輸出輕載時橋臂中點(diǎn)電壓vAB、輔助電感電流iLa及二次整流電壓vrect波形。從圖中可以看出，輔助電感電流峰值隨著輸入電壓的不同而自適應(yīng)的變化，因此變換器的性能可以得到進(jìn)一步的優(yōu)化。

圖8 不同輸入電壓下10%負(fù)載主要波形Fig.8 Measured key waveforms at 10% load at different input voltages

圖9給出了Vin=400V輸出滿載時的橋臂中點(diǎn)電壓vAB、輸出整流電壓vrect波形。圖9表明由于漏感取值很小，變換器在滿載工作時，二次寄生振蕩依然很小，且?guī)缀鯚o占空比丟失。

圖9 輸出滿載時橋臂中點(diǎn)電壓、一次電流及二次整流電壓波形Fig.9 Experimental waveforms of the proposed converter at full load

圖10 效率曲線Fig.10 The overall efficiency

圖10給出了變換器的整機(jī)變換效率以及和傳統(tǒng)變換器的對比。圖10表明變換器在整個負(fù)載范圍內(nèi)有著比較高的變換效率。尤其是在輕載時，變換器一次側(cè)所有開關(guān)管均工作在軟開關(guān)條件下，因此整個變換器的EMI性能有了明顯的改善，而傳統(tǒng)全橋變換器開關(guān)管輕載時工作在硬開關(guān)條件下。

5 結(jié)論

本文提出了一種基于無源輔助網(wǎng)絡(luò)的全橋變換器來拓寬開關(guān)管的軟開關(guān)范圍，詳細(xì)分析了變換器的工作原理和參數(shù)設(shè)計(jì)，并給出了設(shè)計(jì)實(shí)例，通過一臺1kW的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)驗(yàn)證了理論分析的準(zhǔn)確性。實(shí)驗(yàn)的結(jié)果充分說明了該拓?fù)渚哂幸韵聝?yōu)點(diǎn)：①可以在全負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)所有開關(guān)管的ZVS；②輔助網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的電流隨著負(fù)載電流的變化而自適應(yīng)的變化，因此可以減小重載時的導(dǎo)通損耗；③無需串聯(lián)諧振電感，二次側(cè)占空比丟失大大減??；④可以減小二次整流二極管的電壓尖峰和振蕩。

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