朱子庚，韓海倫，董欽，劉向立（許繼電源有限公司，河南許昌461000）

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充電機電源開關管DS寄生振蕩抑制的研究

朱子庚，韓海倫，董欽，劉向立
（許繼電源有限公司，河南許昌461000）

摘要：全橋移相軟開關變換電路在電動汽車充電電源中得到了廣泛的應用，該電路拓撲滯后橋臂開關管實現(xiàn)零電壓開關所必要的死區(qū)時間參數(shù)不匹配，開關管的DS電壓會產生寄生振蕩，影響變換器的穩(wěn)定性。給出原邊開關管死區(qū)時間設計原則，有效抑制整流管的寄生振蕩，分析變換器工作原理，得出了實驗波形。

關鍵詞：死區(qū)時間；寄生振蕩；零電壓開關

電動汽車的出現(xiàn)加速充電行業(yè)的發(fā)展，目前直流充電機多采用移相全橋拓撲。移相全橋零電壓開關變換器（PS-FB -ZVS-PWM converter）變壓器利用率高、輸入輸出范圍寬、EMI小等優(yōu)點。當前諸多是在原邊加諧振電感或利用主變壓器的漏感來實現(xiàn)滯后橋臂零電壓開關（ZVS），然而實現(xiàn)ZVS需要諧振電容、諧振電感、負載大小與死區(qū)時間的匹配，各部分參數(shù)匹配不合適，開關管漏源電壓易出現(xiàn)高頻振蕩，降低了變換器的變換效率，增加了裝置的EMI［1］。

這里給出電路拓撲，并將諧振電感、諧振電容與死區(qū)時間進行匹配。給出諧振電感、死區(qū)時間的設計方法，并設計一臺5 kW的樣機對電路進行驗證。

1　移相全橋變換器電路

圖1　移相全橋DC/DC變換器拓撲電路Fig.1 Phase-shifted full-bridge DC/DC converter circuit topology

圖1示出移相全橋變換器拓撲電路，Q1，Q2， Q3，Q4為主開關管，D1，D2，D3，D4分別為主開關管Q1～Q4的寄生體二極管，C1，C2，C3，C4分別為主開關管Q1～Q4的寄生電容，Lr為諧振電感（包括主變壓器原邊漏感），此電感與開關管的結電容形成諧振，實現(xiàn)MOS管的ZVS。Tr為主變壓器，Cb為原邊隔直電容，DR1，DR2為全波整流二極管，Cr為副邊無損吸收電容，D9、D10為無損吸收二極管，Lf為輸出濾波電感。Q1，Q2構成超前橋臂，Q3，Q4構成滯后橋臂，每個橋臂2個開關管成180°互補導通，2個橋臂導通角相差1個相位，即移相角，調節(jié)移相角可以調節(jié)輸出電壓。

2　死區(qū)時間對開關管的影響

由于諧振電感和變壓器原邊漏感的存在，以及原邊開關管上面具有寄生結電容COSS，這樣諧振電感和變壓器漏感與開關管上面的結電容形成諧振，隨著流過的電流的大小不同，在設置諧振周期時可能存在不同，不同的諧振周期，在不同電流及不同的諧振點，開關管關斷或開通時諧振電感上面的電流出現(xiàn)反相流動，這樣會引起原邊諧振電感與結電容上面過諧振，出現(xiàn)電壓尖峰，這個電壓尖峰帶有很大的振鈴，增加了開關管的損耗，嚴重影響開關管的使用壽命。

如圖1所示，假設一時刻，開關管Q4關斷，諧振電感Lr和電容C2、C4諧振工作，由于C4的存在，Q4上電壓不會發(fā)生突變，Q4可實現(xiàn)零電壓關斷［2］。這時ip給C4充電，給C2放電，當C2上電壓下降為0時，Q2上面體二極管D2自然導通，這時開通Q2，Q2實現(xiàn)零電壓開通。uBA諧振上升，Q2上面電壓下降，則：

從式（1）可以得出uBA(t)波形，t0為Q4關斷時刻，t1為D2導通時刻，t2為D2關斷時刻，t3為uBA(t)諧振下降到零時刻，圖2中陰影部分ton為Q2開通時刻。

圖2　滯后臂開通情況圖Fig.2 Waveforms of the lag bridge arm opened

1）t0

2）t1

3）t2

4）ton> t3，Q2開通時，uBA已經下降到零，UC2= Uin，Q2硬開關開通。

由此可知，Q2只有在［t1，t2］時間段內開通才會實現(xiàn)ZVS，故［t1，t2］時間越長，越容易實現(xiàn)ZVS。

3　死區(qū)時間確定

3.1超前臂死區(qū)時間

關斷的開關器件在其等效并聯(lián)電容被充電到電源電壓以前，C3，C4與Lr和Lf諧振，Lr和Lf的儲能共同提供C3，C4充放電所需能量。由于輸出負載電流參與諧振，且Lf?Lr，即變壓器初級電流對C3，C4恒流充放電，因此較易實現(xiàn)ZVS，其死區(qū)時間可以表示為

式中：td(lead)為超前橋臂死區(qū)時間；Coss為超前橋臂功率管的結電容，2倍的系數(shù)意味著上下兩管結電容之和；ip為初級電流的峰值，等于副邊電感電流折算到原邊的數(shù)值再加上原邊的激磁電流［4］。

3.2滯后臂死區(qū)時間

滯后臂實現(xiàn)ZVS的必要條件是存儲在Lr中的能量足夠抽走C2上的電荷，并將C4上的電壓充電到Uin，即要滿足：

由圖2b分析得到，當t1

在實際工程應用中，滯后臂死區(qū)時間通常要?。簍d(lag)<π/2ω0。

4　實驗驗證

制作了一臺5 kW的充電變換器樣機，進行了實驗驗證。實驗波形如圖3所示。

圖3　實驗波形Fig.3 Experimental waveforms

變換器參數(shù)要求：輸入電壓DC 390～410 V；輸出電壓為DC 350～700 V，輸出電流為7.5 A；主變壓器變比為n=12∶30，諧振電感20 μH，開關頻率50 kHz。

如圖3a典型波形分析，滯后橋臂上下管td= 800 ns時，滯后橋臂的驅動Vgs波形及Vds電壓波形，圖3a圓圈內，當開關管導通時，Vds不等于零，開關管完全硬開關開通，原邊電流波形出現(xiàn)了反向流動，給電容反向充電，實驗波形與圖2中分析一致，由于滯后橋臂未實現(xiàn)ZVS，開通與關斷過程帶來嚴重電壓振蕩。圖3b給出了減小td到250 ns時的驅動Vgs波形及Vds波形，可以看出，減小死區(qū)時間，滯后橋臂開通與關斷都實現(xiàn)了ZVS，振蕩現(xiàn)象消失。

5　結論

本文討論了移相全橋中死區(qū)時間對移相全橋滯后橋臂開關過程的影響，死區(qū)時間的設置對移相全橋開關管ZVS的實現(xiàn)有著直接的關系。本文給出了死區(qū)時間的設計原則，并通過實驗驗證了理論的正確性。合理的死區(qū)設置可以有效抑制開關管的電壓尖峰，減小了開關損耗與EMI干擾，提高了變換器的效率與穩(wěn)定性。

參考文獻

［1］楊文鐵，耿攀.死區(qū)時間對移相全橋電路ZVS實現(xiàn)的影響［J］.電力電子技術，2013，47（7）：20-21.

［2］劉福鑫，阮新波.加鉗位二極管的零電壓全橋變換器改進研究［J］.電力系統(tǒng)自動化，2004，28（17）：64-69.

［3］徐向華，張加勝.一種新型的移相式軟開關全橋變換器［J］.電氣傳動，2014，44（8）：27-29.

［4］Xinbo Ruan，Senior Member. A Novel Zero-voltage-switching PWM Full Bridge Converter［J］. IEEE Transactions on Power Electronics，MARCH，2008，23（2）：793-799.

修改稿日期：2015-07-10

Study of Charger Power Supply Switch DS Parasitic Oscillation Suppression

ZHU Zigeng，HAN Hailun，DONG Qin，LIU Xiangli
（XJ Power Co.，Ltd.，Xuchang 461000，Henan，China）

Abstract:The phase-shifted full-bridge zero-voltage-switching（PS-FB-ZVS）PWM converter is widely used in electric vehicle charging converter. In this circuit topology，the dead-time parameters do not match to lagging leg switches′necessary to achieve zero-voltage switching. DS voltage of the switching will produce parasitic oscillation，Affect the stability of the converter. Primary side switch deadtime design principle was given，suppress parasitic oscillation of the rectifier effectively，the operation principle was analyzed，the experimental waveforms were also given at last.

Key words:dead-time；parasitic oscillation；zero-voltage-switching

收稿日期：2015-02-15

作者簡介：朱子庚（1983-），男，碩士，工程師，Email：zzg.good@163.com

中圖分類號：TM921

文獻標識碼：A