四種典型的改進(jìn)型ZVS全橋變換器的研究

雷靜靜 ，朱允龍

（貴陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴州貴陽(yáng)，550081）

四種典型的改進(jìn)型ZVS全橋變換器的研究

雷靜靜 ，朱允龍

（貴陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴州貴陽(yáng)，550081）

移相全橋變換器具有開關(guān)器件電壓應(yīng)力小、功率變壓器利用率高等特點(diǎn)，目前常被應(yīng)用在中大功率的開關(guān)電源中。本文主要針對(duì)基本移相控制ZVS全橋變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)缺點(diǎn)，介紹四種典型的改進(jìn)方案，并對(duì)這四種典型電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了對(duì)比。

移相全橋；ZVS；拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

0 引言

隨著現(xiàn)代通訊技術(shù)的飛速發(fā)展，開關(guān)電源已廣泛應(yīng)用于電力、通信、交通等各個(gè)領(lǐng)域，并取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。對(duì)開關(guān)電源的重量、體積、可靠性和效率等提出了更高的要求。而應(yīng)用于通訊電源的移相全橋DC/DC變換器作為中大功率開關(guān)電源的首選拓?fù)?，與基本的硬開關(guān)主電路拓?fù)湎啾龋葡嗳珮蜃儞Q器以其自身的諸多優(yōu)點(diǎn)在功率變換的眾多場(chǎng)合倍受歡迎。

移相全橋變換器具有開關(guān)器件電壓應(yīng)力小、功率變壓器利用率高等特點(diǎn)，目前常被應(yīng)用在中大功率的開關(guān)電源中。軟開關(guān)技術(shù)的發(fā)展，解決了硬開關(guān)全橋變換器所帶來的負(fù)面影響。本文主要針對(duì)基本移相控制ZVS全橋變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)缺點(diǎn)，介紹四種典型的改進(jìn)方案。

1 基本移相控制ZVS全橋變換器的特點(diǎn)

1.1 移相控制ZVS全橋變換器的優(yōu)勢(shì)

（1）實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的ZVS，在很大程度上降低了開關(guān)損耗，且提高了開關(guān)頻率，使變壓器、濾波電感和濾波電容的體積減小了，從整體上減小了開關(guān)電源模塊的體積。

（2）開關(guān)頻率是恒定的，有利于優(yōu)化設(shè)計(jì)。

（3）元器件的電壓應(yīng)力和電流應(yīng)力均比較小。

（4）相比傳統(tǒng)PWM硬開關(guān)變換器，只增加了一個(gè)諧振電感，電路的成本和復(fù)雜程度沒有變化。

1.2 移相控制ZVS全橋變換器的劣勢(shì)

移相控制ZVS PWM全橋變換器也存在一些缺點(diǎn)。

在筆者多年的教學(xué)經(jīng)歷中發(fā)現(xiàn)，很多學(xué)生平時(shí)在詞匯積累方面下的功夫可謂不少，但在考試或閱讀的時(shí)候，他們的詞匯量仍表現(xiàn)得不是很充足，特別是能輸出的詞匯量更是少之又少，甚至有的學(xué)生詞匯量仍滯留在高中階段的水平線上。究其原因，主要在于：

（1）滯后橋臂實(shí)現(xiàn)ZVS較困難。由于為滯后橋臂實(shí)現(xiàn)ZVS提供能量的僅是諧振電感中的能量，實(shí)現(xiàn)ZVS的負(fù)載范圍比較窄。要想使滯后橋臂能在較寬的負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)ZVS，那么能改變的只有諧振電感和滯后橋臂并聯(lián)電容的值。

（2）原邊的諧振電感的存在是導(dǎo)致占空比丟失的主要原因。原邊諧振電感的值越大，占空比丟失越厲害；為了得到一定的輸出電壓，變壓器的原副邊匝比必須減小，但匝比減小會(huì)導(dǎo)致原邊電流的增加和副邊整流二極管電壓應(yīng)力的增加。

（3）輸出整流二極管換流時(shí)，變壓器漏感（或附加的諧振電感）和二極管的結(jié)電容之間的振蕩會(huì)使副邊有尖峰電壓的存在，二極管需承受很高的尖峰電壓，需要吸收電路。

由上述的分析我們知道，基本移相控制ZVS全橋變換器的缺點(diǎn)影響了它的使用，針對(duì)基本移相全橋變換器的缺點(diǎn)，眾多學(xué)者提出了相應(yīng)的改善方案。針對(duì)滯后橋臂實(shí)現(xiàn)ZVS比較困難和占空比丟失的問題，提出了使用飽和電感代替普通電感的方案和使用輔助網(wǎng)絡(luò)方案；針對(duì)輸出整流二極管需承受很高的尖峰電壓的問題，提出了在變壓器原副邊加箝位電路的方案。這里將進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹。

2 幾種典型的改進(jìn)型移相ZVS全橋變換器

2.1 原邊使用飽和電感

飽和電感法是在變壓器的原邊將飽和電感替代諧振電感與主變壓器串聯(lián)，如圖2.12所示。換流初期，原邊電流很大，飽和電感鐵芯處于飽和狀態(tài)，可以看作短路，電流瞬間降低，當(dāng)降到臨界值時(shí)，鐵芯處于不飽和狀態(tài)，這時(shí)電感會(huì)變得很大，原邊電流線性下降并換流，當(dāng)原邊電流反向增大到固定值時(shí)，鐵芯又處于飽和狀態(tài)，電流又瞬間變大。與原來電流緩慢換向相比，換向時(shí)間減少了，占空比的丟失也減小了。

該變換器的優(yōu)點(diǎn)是可在較寬的負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的ZVS，能減小占空比丟失，同時(shí)副邊輸出整流二極管的電壓尖峰也得到一定的抑制。但是飽和電感發(fā)熱問題比較嚴(yán)重，對(duì)變換器的安全可靠工作和整機(jī)效率的提高有很大的影響。

圖1 原邊使用飽和電感的變換器電路圖

2.2 增加輔助LC諧振網(wǎng)絡(luò)

圖2 滯后臂上加LC諧振支路的全橋變換器電路圖

2.3 增加有源輔助網(wǎng)絡(luò)

圖3 滯后臂并聯(lián)有源輔助電路的全橋變換器電路圖

這種方法是在基本全橋變換器的基礎(chǔ)上增加了由一個(gè)輔助電感和兩個(gè)輔助開關(guān)管組成的輔助網(wǎng)絡(luò)，如圖3所示。當(dāng)滯后橋臂處于換流狀態(tài)時(shí)，輔助電感中的電流與原邊電流一起流進(jìn)或者流出滯后橋臂，幫助滯后管實(shí)現(xiàn)ZVS。

該拓?fù)涞膬?yōu)點(diǎn)是滯后橋臂可以在較寬范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)ZVS，占空比丟失小；不足之處是增加了兩個(gè)輔助開關(guān)管及相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路，拓?fù)涞膹?fù)雜性增加了，且兩個(gè)開關(guān)管不能實(shí)現(xiàn)零電壓關(guān)斷，存在關(guān)斷損耗。

2.4 增加箝位二極管

這種拓?fù)湓诨疽葡嗫刂芞VS PWM DC/DC全橋變換器的基礎(chǔ)上，增加由一個(gè)諧振電感和兩只箝位二極管組成的輔助電路，這個(gè)輔助電路即可與滯后橋臂相連，又可與超前橋臂相連，我們對(duì)這兩種拓?fù)浞謩e進(jìn)行介紹。

2.4.1 輔助電路與滯后橋臂相連

該拓?fù)渲休o助電路與變換器的滯后橋臂相連，電路結(jié)構(gòu)如圖4所示。此拓?fù)涞膬?yōu)點(diǎn)是：開關(guān)管的軟開關(guān)特性得以保持，同時(shí)滯后橋臂實(shí)現(xiàn)ZVS的范圍拓寬了并有效的抑制了副邊的寄生振蕩。其缺點(diǎn)是箝位二極管在一個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通兩次，但只有一次對(duì)輸出整流二極管上的電壓尖峰起到抑制作用，另外的一次導(dǎo)通未起到箝位作用，由于兩次導(dǎo)通增加了箝位二極管的電流有效值，同時(shí)帶來了較大的開關(guān)損耗，不利于電源模塊整體性能的提高。

圖4 輔助電路與變換器的滯后橋臂相連的電路圖

2.4.2 輔助電路與超前橋臂相連

該拓?fù)渲休o助電路與變換器的超前橋臂相連，電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5所示。與圖4的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比圖5所示電路是將輔助電路的位置做了改變，使箝位二極管只在起到箝位作用時(shí)才導(dǎo)通，減小了原邊環(huán)流，也能有效的去除副邊整流二極管上的電壓尖峰。

圖5 輔助電路與變換器的超前橋臂相連的電路圖

3 結(jié)論

以上四種改進(jìn)策略，可以使變換器的滯后橋臂在較寬的負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)ZVS，且將副邊占空比丟失降到最小。但是它們也存在各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，第一種改進(jìn)方法飽和電感發(fā)熱問題比較嚴(yán)重，影響整機(jī)效率。第二種改進(jìn)方法增加了滯后橋臂的導(dǎo)通損耗。第三種方法增加了拓?fù)涞某杀竞蛷?fù)雜程度。第四種改進(jìn)方法所用元件較少，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且實(shí)用性比較強(qiáng)。經(jīng)過分析和比較可知第四種改進(jìn)方法的電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)最好。

[1]王興貴,鄒應(yīng)煒,劉金龍.全橋型DC/DC開關(guān)電源的建模與控制[J].電力電子術(shù),2007(07).

[2]皮之軍.移相全ZVS變換器及其數(shù)字控制技術(shù)研究[D].武漢:華中科技大學(xué)碩士論文.2006(4).

Research on four typical improved ZVS full bridge converters

Lei Jingjing, Zhu Yunlong
（Guiyang Career Technical College,Guiyang Guizhou,550081）

Phase shifted full bridge converter has the characteristics of small voltage stress and high utilization ratio of power transformer, so it is often used in switching power supply of medium and high power. This paper mainly focuses on the advantages and disadvantages of the basic phase shifted control ZVS full bridge converter topology, introduces four typical improvement schemes, and compares the advantages and disadvantages of the four typical circuit topologies.

Phase shifted full bridge; ZVS; topolog