王金剛，劉　鵬

（中國電子科技集團(tuán)公司第58研究所，江蘇無錫 214072）

移相全橋零電壓PWM軟開關(guān)電路諧振過程研究

王金剛，劉鵬

（中國電子科技集團(tuán)公司第58研究所，江蘇無錫 214072）

為解決全橋硬開關(guān)電路的開關(guān)損耗問題，提高電源效率，研究了一種移相全橋軟開關(guān)電路。與傳統(tǒng)電路相比具有開關(guān)損耗小、EMI噪聲低、工作頻率高、電源效率高等優(yōu)點(diǎn)。詳細(xì)介紹了移相全橋電壓PWM軟開關(guān)電路諧振工作的全過程，最后給出了PWM軟開關(guān)電路占空比丟失的原因及解決辦法。

移相全橋；軟開關(guān)；諧振；占空比

1　引言

移相全橋零電壓開關(guān)（ZVS）[2]PWM變換器已廣泛應(yīng)用于大功率開關(guān)電源中，它保持了準(zhǔn)諧振電路開關(guān)損耗小、工作于固定開關(guān)頻率的優(yōu)點(diǎn)，且與普通硬開關(guān)全橋電路相比僅增加了一個(gè)諧振電感。在換流時(shí)利用諧振實(shí)現(xiàn)開關(guān)器件的零電壓開關(guān)（ZVS）[2]，消除了開關(guān)損耗，提高了電路效率。

移相全橋ZVS PWM變換器只能在有限的負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)所有開關(guān)器件的零電壓開關(guān)（ZVS）[2]。要在更大的負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)所有開關(guān)器件的ZVS，可在變壓器原邊串聯(lián)一個(gè)大電感，或增加變壓器的漏感。電感的增加對變換器性能有相當(dāng)大的影響，會(huì)引起占空比的丟失。同時(shí)，輸出整流管存在反向恢復(fù)過程，在輸出整流管上產(chǎn)生電壓尖峰和電壓震蕩。

利用儲(chǔ)存在輔助電路電感中的能量來實(shí)現(xiàn)原邊所有開關(guān)管的零電壓開關(guān)（ZVS）[2]，不僅減少了占空比丟失，抑制了輸出整流管上的電壓尖峰和電壓震蕩，且能在更寬的負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)所有開關(guān)管的零電壓開關(guān)（ZVS）[2]。

本文提出的拓?fù)浼軜?gòu)解決了硬開關(guān)全橋電路輸出整流二極管上存在電壓尖峰和電壓震蕩的問題，減少了占空比的丟失，能在全負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)所有開關(guān)器件的零電壓開關(guān)（ZVS）[2]，可以廣泛應(yīng)用于各種開關(guān)電源的設(shè)計(jì)中。

2　拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

本文以一個(gè)250 W的變換器來說明全橋零電壓換流移相調(diào)制準(zhǔn)諧振[1]變換器的整個(gè)工作過程。輸入端Bus電壓為300 V DC，輸出為25 V，10 A。

整個(gè)拓?fù)浼軜?gòu)如圖1所示。開關(guān)管Q1、Q2、Q3、Q4不可避免地包含內(nèi)部寄生元件：襯底二極管（D1、D2、D3、D4）和極間電容（C1、C2、C3、C4），雖然電路圖與常規(guī)脈寬調(diào)制橋式電路十分相像，但4個(gè)功率MOSFET驅(qū)動(dòng)信號(hào)的開關(guān)時(shí)序卻存在很大不同。正是此關(guān)鍵的開關(guān)時(shí)序，連同L1e和MOSFET襯底電容的準(zhǔn)諧振過程，才實(shí)現(xiàn)了零電壓（L1e是副邊電感折算至原邊的等效值，而且包含變壓器的等效漏感）。

圖1　移相全橋零電壓軟開關(guān)電路

3　功率開關(guān)的時(shí)序

3.1初始狀態(tài)分析

在初始啟動(dòng)狀態(tài)Q1、Q4導(dǎo)通，Q2、Q3關(guān)斷，為了簡化分析，假設(shè)開關(guān)器件是理想的，導(dǎo)通電阻為0且瞬時(shí)完成開關(guān)，等效串聯(lián)電感L1e和等效回路電阻R1e已折算到變壓器的原邊。

在初始狀態(tài)，電流流經(jīng)Q1、P1、L1e和Q4。一個(gè)完整的功率變換周期共12個(gè)獨(dú)立的工作狀態(tài)，每個(gè)周期的12個(gè)工作狀態(tài)可以分為4組基本狀態(tài)，如圖2所示。

圖2　開關(guān)時(shí)序圖

對于給定的占空比，這4個(gè)基本狀態(tài)占據(jù)了絕大部分時(shí)間。第1個(gè)基本狀態(tài)在第3次和第4次換流之間，Q1和Q2同時(shí)導(dǎo)通，B點(diǎn)和D點(diǎn)的電壓均為高，變壓器原邊兩端電壓為0，沒有功率傳遞至輸出。第2個(gè)狀態(tài)處于第6次和第7次換流之間，Q2和Q3同時(shí)導(dǎo)通，B點(diǎn)電壓為低而D點(diǎn)電壓為高，變壓器原邊兩端電壓為正，功率傳遞至輸出。第3個(gè)基本狀態(tài)處于第9次和第10次換流之間，Q3和Q4同時(shí)導(dǎo)通，B點(diǎn)和D點(diǎn)電壓均為低，變壓器原邊兩端電壓為0，沒有功率傳遞至輸出。第4個(gè)基本狀態(tài)處于第12次和第1次換流之間，Q1和Q4同時(shí)導(dǎo)通，變壓器原邊兩端電壓為負(fù)，功率傳遞至輸出。

3.2工作過程分析

3.2.1第一次換流（Q4關(guān)斷）

對于第一次換流，Q4關(guān)斷而Q1保持導(dǎo)通狀態(tài)。第一次換流，Q4關(guān)斷，在電感L1e的作用下，電流繼續(xù)流向B點(diǎn)。C2和C4充電，使B點(diǎn)電壓為正。當(dāng)B點(diǎn)電壓升至輸入電壓時(shí)（加上二極管壓降為300.8），二極管D2導(dǎo)通，電流經(jīng)由D2、Q1、P1、L1e和R1e組成的上部回路續(xù)流。注意當(dāng)B點(diǎn)電壓被D2鉗位在300.8時(shí)，B點(diǎn)電壓不再改變，C4中沒有電流，下部回路的電流降至0，注意在Q4關(guān)斷前的t0至t1期間，B點(diǎn)電壓近似維持在0 V。當(dāng)Q4關(guān)斷時(shí)，L1e維持恒定的電流流向B點(diǎn)。通常，電流分成上下兩部分，分別為C2和C4充電，使B點(diǎn)電壓逐漸升至300 V。

由于12次換流的過程近似，因此只對Q4的第一次換流做較詳細(xì)的分析。由于存在輸入大電容Cin，可假設(shè)A點(diǎn)和C點(diǎn)間的電源電壓在為電容充電時(shí)保持不變，因此等效交流輸入阻抗十分低。因此就交流而言，兩個(gè)MOSFET的襯底電容C2e與C4e并聯(lián)更有助于理解準(zhǔn)諧振過程。兩個(gè)電容構(gòu)成B點(diǎn)總電容Ct，為C4的兩倍。（實(shí)際上，所有與B點(diǎn)有關(guān)的寄生電容都包含在Ct內(nèi)。）

在開始于t1的第一次換流期間，Q4立刻關(guān)斷，L1e中近似恒定的電流繼續(xù)流向B點(diǎn)（在Q4關(guān)斷前的瞬間B點(diǎn)電壓接近0 V），為總襯底電容Ct充電，B點(diǎn)電壓逐漸增加。t1至t2期間，隨著電容的充電，B點(diǎn)電壓逐漸升至300 V，與直流側(cè)電壓相等。

3.2.2第二次換流（D2導(dǎo)通）

當(dāng)B點(diǎn)電壓升至300 V（t2之后），Q2的襯底二極管D2開始導(dǎo)通，阻止B點(diǎn)電壓進(jìn)一步升高。由于電壓不再變化，電容結(jié)束充電，見t2時(shí)刻。L1e的電流經(jīng)由D2、P1、L1e和R1e構(gòu)成的上部回路續(xù)流。

上部回路續(xù)流過程：

這時(shí)襯底電容不再有電流。前面已經(jīng)指出上部回路的電流流經(jīng)D2、P1、L1e和R1e。由于B點(diǎn)電壓不再變化且Q4關(guān)斷，下部回路不再有電流，這稱之為續(xù)流階段?；芈分写鎯?chǔ)了能量。能量1/2L1e×I2存儲(chǔ)于電感中，使回路中的電流得以維持。此能量還可在下一階段向D點(diǎn)充電。

3.2.3第3次換流（Q2開通）

在3次換流的開始時(shí)刻，Q2仍然關(guān)斷，D2導(dǎo)通使電流續(xù)流。這時(shí)電流在上部回路續(xù)流。只要沒有動(dòng)作，此“續(xù)流電流”將持續(xù)在回路中流動(dòng)。實(shí)際上，只要沒有任何事件發(fā)生，電流將在回路中繼續(xù)流動(dòng)，直到R1e的電壓使電流衰減至0。由于這一過程中等效電阻R1e非常?。▋H僅是P1的繞組電阻和有效回路的分布電阻），電流可以維持較長的時(shí)間。在續(xù)流階段，沒有能量傳遞到副邊。由于回路的壓降很低，在整個(gè)橋式電路的未激活器件，電流將在回路中持續(xù)流動(dòng)，僅有微小的降低。

在正常工作時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)，Q2應(yīng)在t2開始的D2鉗位期間任一時(shí)刻開通。本例中Q2在t3時(shí)刻開通。這時(shí)Q2兩端的電壓僅為二極管D2的壓降，因此Q2在所需的零電壓條件下開通。實(shí)際上，如果Q2在襯底二極管D2導(dǎo)通的任一時(shí)刻開通，它都將在零電壓條件下開通。由于Q2為功率MOSFET，當(dāng)它開通時(shí)，可以使反向流過的續(xù)流電流流過，并接替D2，繼續(xù)傳遞電流。

3.2.4第4次換流（Q1關(guān)斷）

在第4次換流的開始時(shí)刻，由于D點(diǎn)和A點(diǎn)電壓均為300 V，所以Q1在零電壓條件下迅速關(guān)斷，從而切斷了上部續(xù)流回路。類似于前面提到的第一次換流，電容C1和C3（與D點(diǎn)連接）放電，因而D點(diǎn)電壓降低，直至降為0 V。

3.2.5第5次換流（D3導(dǎo)通）

當(dāng)D點(diǎn)電壓降至0 V，二極管D3將導(dǎo)通，將D點(diǎn)電壓鉗位于直流側(cè)電壓的負(fù)端，與C點(diǎn)電壓相等。

3.2.6第6次換流（Q3開通）

在D3的鉗位作用下，Q3在零電壓條件下開通。由于原邊繞組P1和L1e兩端承受全部直流側(cè)電壓，L1e和P1的電流將迅速降為0并反向。由于P1兩端為全部直流側(cè)電壓，在Q3和Q2導(dǎo)通期間，能量將再次傳遞至副邊，但注意這時(shí)加在副邊橋式整流電路的電壓極性為負(fù)。

3.2.7第7次換流（Q2關(guān)斷）

在功率傳遞階段之后，Q2關(guān)斷。由于B點(diǎn)和A點(diǎn)電壓均為300 V，Q2在零電壓條件下迅速關(guān)斷。電流將由B點(diǎn)流出，隨著C2和C4放電，B點(diǎn)電壓將被拉低至公共端電壓。

3.2.8第8次換流（D4導(dǎo)通）

當(dāng)B點(diǎn)電壓降至0 V，D4將導(dǎo)通，由于Q4、R1e、L1e、P1和Q3構(gòu)成的下部續(xù)流回路將形成。

3.2.9第9次換流（Q4開通）

當(dāng)D導(dǎo)通期間，Q4在零電壓條件下開通，下部續(xù)流回路保持。如前所述，此續(xù)流電流將在整個(gè)“關(guān)閉”（無效）期間持續(xù)流動(dòng)。由于此時(shí)變壓器原邊P1兩端電壓再次為0，沒有能量傳遞至輸出。

3.2.10第10次換流（Q3關(guān)斷）

由于D點(diǎn)和C點(diǎn)電壓為0，Q3在零電壓條件下迅速關(guān)斷。D點(diǎn)電壓逐漸升至300 V，為C1和C3充電。

3.2.11第11次換流（D1導(dǎo)通）

當(dāng)D點(diǎn)電壓升至300 V，二極管D1導(dǎo)通，D點(diǎn)電壓被鉗位于直流側(cè)電壓，等于300 V。

3.2.12第12次換流（Q1導(dǎo)通）

在D1鉗位期間，Q1將在零電壓下開通。

由于這時(shí)全部側(cè)電壓施加于P1，P1的電流將再次降至0并迅速反向。由于Q1和Q4導(dǎo)通，橋式電路處于有效工作狀態(tài)，能量再次傳遞至輸出。到此為止，一個(gè)完整的周期結(jié)束。

4　仿真

通過簡單分析之后，下面對電路進(jìn)行仿真，在PSIM中搭建的電路如圖3所示，經(jīng)計(jì)算及分析選擇如下電路參數(shù)：輸入直流電壓Vin=310 V，功率開關(guān)管IGBT，諧振電容Cr=560 pF，諧振電感Lr=25 μH，理想變壓器原邊匝數(shù) Np=28，理想變壓器副邊匝數(shù)Ns=Nt=6，輸出濾波電容Cf=2000μF，濾波電感Lf=50μF。

圖3　仿真電路原理圖

圖4　開關(guān)管Q1的電流及電壓仿真波形

由圖4仿真可知開關(guān)管實(shí)現(xiàn)了零電壓開通。輸出電壓Ur的波形如圖5所示，其穩(wěn)定輸出為Ur=25 V。

圖5　輸出電壓Ur的波形

通過仿真可以發(fā)現(xiàn)，功率管實(shí)現(xiàn)了軟開關(guān)，減小了開關(guān)損耗，因此開關(guān)頻率可以大大提高。由于功耗的減小，可以減小散熱器的體積，頻率的提高可以減小變壓器及濾波器的體積，有利于電源的小型化、輕量化。特別是在大功率電力電子方面，軟開關(guān)有很好的發(fā)展前途。

功率管軟開關(guān)改善了電路導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)的電壓波形，使開通和關(guān)斷沿的尖峰減小，這樣減小了電磁干擾和射頻干擾，使得設(shè)備的電磁兼容設(shè)計(jì)壓力減小。目前，在電力系統(tǒng)領(lǐng)域內(nèi)電磁兼容性設(shè)計(jì)是一個(gè)重要的考核指標(biāo)，而電源的電磁兼容性設(shè)計(jì)又是一個(gè)比較復(fù)雜的問題，當(dāng)采用移相式零電壓軟開關(guān)電路時(shí)，電磁兼容問題就比較容易解決。

功率管電壓電流應(yīng)力減小不僅減小了損耗，而且提高了電源的效率，效率可達(dá)92%以上，更有利于提高功率管的使用壽命和可靠性。

5　結(jié)束語

本設(shè)計(jì)采用的移相全橋ZVS軟開關(guān)變換電路[3]是在吸收了傳統(tǒng)PWM變換器和諧振變換器[1]優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，克服了它們的缺點(diǎn)之后發(fā)展起來的一種新型控制方式。理論分析和仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了移相全橋軟開關(guān)（ZVS）拓?fù)鋄3]的可行性。該拓?fù)浯蟠筇岣吡穗娫吹男?，為?jié)約能源提供了新的解決途徑。

[1]Lee R.Electronic Trans and Circuits[M].Wiley,New York, 1995.

[2]Hua Guichaoi Fred C Lee.An Improved Full bride Zero-voltage-Switched PWM converter a Saturable Inductor [C].IEEE PE,1993,V8.

[3]McLyman,colonel Wm T.Transformer and Inductor Design Handbook,MarcelDekker[M].NewYork,1978,ISBN 0-8247-6801-9.

[4]Billings K,Morey T.開關(guān)電源手冊 [M].張占松，等譯.3版.北京：人民郵電出版社，2012.1.

中國半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會(huì)封裝分會(huì)輪值理事長交接工作會(huì)議順利召開

2016年11月7日，中國半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會(huì)封裝分會(huì)輪值理事長交接工作會(huì)議在上海和平豪生大酒店順利召開。中國半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會(huì)執(zhí)行副理事長兼秘書長徐小田，中國半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會(huì)副理事長陳賢，中國半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會(huì)封裝分會(huì)名譽(yù)理事長畢克允，2016年度中國半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會(huì)封裝分會(huì)輪值理事長石明達(dá)，輪值理事長王新潮、肖勝利、劉岱，封裝分會(huì)秘書長王紅等人參加會(huì)議。

中國半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會(huì)副理事長兼秘書長徐小田、中國半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會(huì)封裝分會(huì)名譽(yù)理事長畢克允先后做了講話，回顧了封裝分會(huì)的發(fā)展歷程，展望了封裝分會(huì)未來面臨的挑戰(zhàn)。2016年封裝分會(huì)輪值理事長石明達(dá)總結(jié)了任期內(nèi)封裝分會(huì)取得的實(shí)質(zhì)進(jìn)步，并對封裝分會(huì)未來的發(fā)展前景做了展望。分會(huì)秘書長王紅簡單做了年度財(cái)務(wù)收支匯報(bào)。

會(huì)議接下來進(jìn)行了輪值理事長的交接，2017年度輪值理事長由長電科技集團(tuán)董事長王新潮擔(dān)任。王新潮做了發(fā)言，表示2017年將努力落實(shí)《集成電路工業(yè)全書》和《集成電路專業(yè)叢書》的編寫工作，并辦好2017年的封裝分會(huì)年會(huì)。他還提到，《電子與封裝》作為封裝分會(huì)會(huì)刊已經(jīng)成為國內(nèi)封裝技術(shù)的重要交流平臺(tái)。新的一年里雜志編輯部應(yīng)進(jìn)一步努力，提高文章的學(xué)術(shù)水平，及時(shí)刊登行業(yè)重大新聞和技術(shù)發(fā)展動(dòng)態(tài)；提高會(huì)刊影響力，多多參與協(xié)會(huì)活動(dòng)。封裝分會(huì)副秘書長沈陽公布2017年度年會(huì)預(yù)計(jì)將于2017年6月21日在江蘇江陰市舉行。其他參會(huì)人員也逐一發(fā)言，輪值理事長交接會(huì)議圓滿結(jié)束。

（趙博）

Studies of Resonance Process for Shifted-Phase Full-Bridge Zero-Voltage PWM Soft-Switching Circuit

WANG Jingang,LIU Peng
（China Electronics Technology Group Corporation No.58 Research Institute,Wuxi 214072,China）

A phase-shifted full bridge soft-switching circuit is studied in order to reduce the switching loss and improve the power supply efficiency of the full bridge hard-switching circuits.Compared with the traditional circuit,the new circuit has the advantages of low switching loss,low EMI noise,high operation frequency and high conversion efficiency.In the paper,the whole resonance process of phase-shifted full bridge voltage PWM soft-switching circuit is presented in details.Besides,the causes and solutions for the duty-cycle loss of the PWM soft-switching circuit are given.

phase-shifted full bridge;soft switch;resonance;duty cycle

TN402

A

1681-1070（2016）11-0035-04

2016-5-30

王金剛（1982—），男，安徽碭山人，2008年畢業(yè)于四川理工大學(xué)，獲通信工程學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)從事開關(guān)電源的設(shè)計(jì)和研究工作。