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1、移相全桥移相全桥 ZVZCSZVZCS DC/DCDC/DC 变换器综述变换器综述 朱艳萍 (燕山大学，河北 秦皇岛 066004） 摘要：概述了 9 种移相全桥 ZVZCSDC/DC 变换器，简要介绍了各种电路拓扑的工作原理，并对比了优缺点，以供大家参考。 关键词：移相控制；零电压零电流开关；全桥变换器 1 概述 所谓 ZVZCS，就是超前桥臂实现零电压导通和关断，滞后桥臂实现零电流导通和关断。ZVZCS 方案可以解决 ZVS 方案的故有缺陷，即可以大幅度降低电路内部的循环能量，提高变换效率，减小副边占空比丢失，提高最大占空比，而且其最大软开关范围不受输入电压和负载的影响。 滞后桥臂零电流开
2、关是通过在原边电压过零期间使原边电流复位来实现的。即当原边电流减小到零后，不允许其继续反方向增长。原边电流复位目前主要有以下几种方法： 1）利用超前桥臂开关管的反向雪崩击穿，使储存在变压器漏感中的能量完全消耗在超前桥臂的 IGBT中，为滞后桥臂提供零电流开关的条件； 2）在变压器原边使用隔直电容和饱和电感，在原边电压过零期间，将隔直电容上的电压作为反向阻断电压源，使原边电流复位，为滞后桥臂开关管提供零电流开关的条件； 3）在变压器副边整流器输出端并联电容，在原边电压过零期间，将副边电容上的电压反射到原边作为反向阻断电压源，使原边电流迅速复位，为滞后桥臂开关管提供零电流开关的条件。 2 电路拓扑
3、 根据原边电流复位方式的不同，下面列举几种目前常见的移相全桥 ZVZCS PWM DC/DC 拓扑结构，以供大家参考。 1）Nho E.C.电路 如图 1 所示1。该电路是最基本的移相全桥 ZVZCS 变换器，它的驱动信号采用有限双极性控制，从而实现超前桥臂的零电压和滞后桥臂的零电流开关。这种拓扑结构的缺陷是L1k要折衷选择，L1k太小，在负载电流很小时，超前桥臂不能实现零电压开关；L1k太大，又限制了iL1k的变化速度，从而限制了变换器开关频率的提高。变换器给负载供电方式是电流源形式，电感L1k电流交流变化，输入电流脉动很大，要求滤波电容很大。该电路可以工作在电流临界连续状态，但必须采用频率
4、控制，不利于滤波器的优化设计。 图 1 Nho E.C. 电路拓扑 2）Chen K. 电路 如图 2 所示23。该电路超前桥臂并联有串联的电感和电容。电感L1和L2很小，不影响开关管的 ZVS，但有两个好处：一是限制振荡的电流峰值；二是在负载很小，开关管不能实现ZVS 时，限制开关管的开通电流尖峰。该拓扑结构利用 IGBT 的反向击穿特性，解决了滞后桥臂 IGBT 关断时的电流拖尾问题，可以提高 IGBT 的开关频率，而且在负载很小时也能实现零电流开关。但是，这个电路也付出了代价，漏感L1k中的能量L1kip2/2 和ip反向时漏感L1k中的能量全部消耗在反向击穿的 IGBT 中。图 2 C
5、hen K.电路拓扑 3）原边加隔直电容和饱和电感的 FB-ZVZCS-PWM 变换器 如图 34所示。它在基本的移相全桥变换器的基础上增加了一个饱和电感Ls，并在主电路上增加了一个阻挡电容Cb，阻挡电容Cb与饱和电感Ls适当配合，能使滞后桥臂上的主开关管实现零电流开关。在原边电压过零阶段，饱和电感工作在线性状态，阻止原边电流ip反向流动，在原边电压为Vin或Vin时，它工作在饱和状态。尽管它有许多明显的优势，但也有不足之处，如最大占空比范围仍受到很多限制，特别是饱和电感上有很大的损耗，饱和电感磁芯的散热问题是一个必须解决的问题。 图 3 原边加隔直电容和饱和电感的 FB-ZVZCS- PWM
6、 变换器 4）副边采用有源箝位开关的 FB-ZVZCS-PWM 变换器 如图 4 所示5。这种电路没有使用耗能元件，在副边增加有源箝位开关 S，并通过对有源箝位开关的适当控制，为滞后桥臂创造零电流开关条件。超前桥臂在零电压导通与关断的过程中，输出滤波电感Lf参与了谐振过程，而输出滤波电感通常具有很大的值，超前桥臂开关管可以在很大的负载范围内满足零电压开关条件，开关管的导通与关断的死区时间间隔受原边电压最大占空比的限制。在此种拓扑结构中，可能会出现副边整流输出电压的占空比大于原边电压最大占空比的现象，这种现象称为“占空比增大效应”(duty cycle boost effect)这种现象是由箝位
7、电容Cc和箝位开关的作用造成的。此电路的主要缺点是控制上稍微复杂一些，以及有源箝位开关采用的是硬开关，但是，有源箝位开关在一个开关周期中仅工作很短一段时间，对变换器整体效率影响很小。 图 4 副边带有源箝位开关的 FB-ZVZCS-PWM 变换器 5）利用变压器辅助绕组的 FB-ZVZCS-PWM 变换器 电路拓扑如图 5 所示6。该电路通过在副边增加一个变压器辅助绕组和一个简单的辅助线路，无须增加耗能元件或有源开关来取得滞后桥臂 ZCS。其副边整流电压可由箝位电容箝位，一般可将其限制在 120额定值内，该方案可在大功率场合应用。该电路拓扑的优点是负载范围宽，占空比损失小，器件的电压应力、电流
8、应力小，成本低。但是它也有缺点，即副边结构复杂，设计时有些困难。 图 5 利用变压器辅助绕组的 FB-ZVZCS-PWM 变换器 6）副边带能量恢复缓冲电路的 FB-ZVZCS-PWM 变换器 如图 6 所示7。它的副边增加了由 3 个快恢复二极管和 2 个小电容构成的能量恢复缓冲电路，此电路在能量传递初始期间，电容Cs1和Cs2与漏感谐振，电容上的电压达到 2nVin，超前桥臂开关管一关断，电容上电压就折合到原边，在漏感上产生一反压，使得原边电流下降。而且，通过能量恢复电路的低阻抗路径使副边整流二极管实现了 ZVS。该结构稍微复杂些，最大缺点是，由于电容Cs1和Cs2与漏感谐振，使得副边整流
9、电压几乎是正常电压nVin的 2 倍，增加了整流管的电压应力，并且由于存在大量环流，也增加了导通损耗。 图 6 副边带能量恢复缓冲电路的 FB-ZVZCS-PWM 变换器 7）使用改进的能量恢复缓冲电路的 FB-ZVZCS-PWM 变换器 如图 7 所示8。它运用改进的能量恢复缓冲电路来减小循环电流和副边瞬间超压。除了增加二极管 Ds4外，其工作原理和线路与 6)相同。 图 7 副边带改进的能量恢复缓冲电路的 FB-ZVZCS-PWM 变换器 8）滞后桥臂中串入二极管的 FB-ZVZCS-PWM 变换器 如图 8 所示9。它利用串联二极管阻断电容电压可能引起的原边电流的反向流动。可以在任意负载
10、和输入电压变化范围内实现滞后桥臂的零电流开关。图 8 滞后桥臂中串入二极管的 FB-ZVZCS-PWM 变换器 9）副边利用简单辅助电路的 FB-ZVZCS-PWM 变换器 如图 9 所示10。此电路副边由一个简单辅助电路构成：包括一个小电容和两个小二极管，结构简单，整流电压不恒定，取决于占空比。该方案不含饱和电感，辅助开关，不产生大的环流，没有额外的箝位电路，这是因为，副边整流电压被箝位于箝位电容电压与输出电压之和。所有的元器件均在低电压，低电流下工作，还有负载范围宽，占空比损失小等优点，从而使此变换器具有高效率，低成本，解决了目前常见变换器的许多问题。在高功率场合很有发展前途。 图 9 副
11、边利用简单辅助电路的 FB-ZVZCS-PWM 变换器 3 结语 综上所述可知，图 2 和图 3 电路使用耗能元件来复位原边电流，降低了总效率并阻碍功率超过 5kW；图 4 电路通过副边增加有源箝位开关来复位原边电流，价格较贵并且控制复杂，有源箝位开关采用的是硬开关，开关频率是原边的两倍，开关损耗大；图 5 电路所有有源和无源元器件都工作在最小电流应力和电压应力下，有较宽的 ZVZCS 范围，较小的占空比损耗，不存在严重的寄生环流，功率超过 5kW，但是辅助电路复杂；图 6 电路中电容Cs1和Cs2与漏感谐振引起大的循环能量，降低了总效率并使得副边整流电压几乎是正常电压nVs的二倍，增加了副边
12、整流管的电流应力，变压器和开关的导通损耗也增加了；图 7 电路是对图 6 电路的改进，它减小了副边瞬间超压和环流，也能使开关损耗传到负载；通过比较图 6 和图 7缓冲电路中Cs放电时间和漏感L1k复位时间，可以看出吸收电容复位变压器漏感能量的能力和容量，后者比前者加倍，因而使用图 7 电路能扩展到重载范围。图 9 电路简化了前几种 ZVZCS 方案，仅仅增加由一个小电容和两个小二极管组成的简单辅助电路，无须增加耗能元件和有源开关实现 ZVZCS，不仅为原边开关提供 ZVZCS 条件，而且箝位副边整流二极管，效率高而且价格便宜。 作者简介 朱艳萍（1972），女，讲师，主要从事开关电源技术的研究。
