FB-PWM变换器零电压转换的设计

李金刚  陈建洪  钟彦儒  宁耀斌

(西安理工大学 自动化与信息工程学院，陕西 西安 710048)

摘  要： 介绍了全桥移相PWM（ FB-PWM）变换器实现零电压转换的条件，提出以能量和时间两个概念分析的方法。利用集成控制芯片ML4818作为移相控制核心设计了ZVS FB-PWM变换器。并完成了实验，验证了分析和设计的正确性。

关键词：全桥移相  零电压  逆变器  ML4818

Design of Zero-Voltage-Switched FB-PWM Converter

LI Jin-gang ,CHEN Jian-hong, ZHONG Yan-ru, NING Yao-bin

(Xi’an University of Technology ,Xi’an 710048,China)

Abstract:  The conditions which FB-PWM converter achieves ZVS are described in this paper. The analytic method based on two concepts of energy and time is presented. A ZVS FB-PWM converter is designed by using integrated chip ML4818 as the core of phase shift control. The experiment is completed and verifies the correctness of analysis and design.

Key words: full-bridge phase shift  zero-voltage  inverter; ML4818

随着开关电源向小型化、高密度、高效率的发展，频率的提高,普通硬开关 PWM变换器开关损耗的增大使电源效率急剧下降。为此，人们提出了谐振式开关变换器的概念，但其也有设计困难、附加功率器件(辅助开关)和谐振器件、开关管应力大等缺点。而全桥移相PWM变换器具有两者的优点：软开关、固定频率、PWM输出。非常适合在大功率开关电源中使用。

1  FB-PWM变换器工作状态分析

1.1  工作原理

图1为FB-PWM变换器的电路结构，在形式上与常规的PWM变换器相同，但是开关管的驱动方式不同，LR为负载回路总电感。

在常规PWM变换器中对角开关同时开通或关闭，而FB-PWM变换器分别控制左右两个半桥支路之间的相位，使之分成超前桥臂和滞后桥臂，两桥臂之间的相位差越小，变压器原边电压UAB占空比也越大，从而达到控制输出电压的目的。控制原理由图2。                                       

1.2  工作状态分析

假设开关为理想器件，L0 >>LR/n2，L0中的电流是常值I0,C1=C2=Clag，C3=C4=Clead，为开关管结电容（或结电容与附加电容之和）。L0为滤波电感，LR 为谐振电感与变压器漏感之和，n为输出变压器的原副边匝比，下标lag和lead分别表示滞后和超前桥臂。如图2所示，将逆变器的一个开关过程分为以下6个阶段分析：

(1) 初始状态：t<t0

    功率传输的末端，V1、V4同时导通变换器输出正电压，变压器原边电流为-IL(t0)。

(2) 右支路谐振转换  t0<t<t1

右支路也称超前支路。 在 t0时刻V4关断，由于电感LR是谐振回路电感与滤波电感L0折算到原边的和，可以认为电流IL维持不变，给电容C4充电，如果V3、V4之间的死区时间满足式（1）则B点的电压将可以上升到Ud，为V3的零电压转换提供条件。

在t1时刻V3开通，变压器原边电流IL方向不变，流经V1和D3续流。此时电感LR释放能量。而UAB=0。

(4) 左支路转换  t2<t<t3

左支路也称滞后支路。在t2时刻V1关断，电流IL已经开始减小而且由C1、C2提供，即C1充电C2放电。C2放电完毕之后D2自然导通使V2两端电压钳位为零。这时才能开通V2。由于电流较小，C2的放电时间将比C4的充电时间要长，也就是V1与V2的驱动死区时间要比V3、V4的死区大。随着电流的进一步减小，变压器的副边电流只能由输出电感L0维持，使整流二极管D5、D6同时导通。在这种情况下，变压器相当于被短路，LR两端承受电源电压Ud，流过的电流下降为零。

(5) 原边电流建立  t3<t<t4

图2  变换器工作原理与工作过程分析

    在t3时刻IL过零反向并逐渐增大，为了保证V2的零电压开通，t3 之前V2必须已经开通。在电流上升到一定值以前由于副边的短路原边绕组电压仍然为零。当IL增大到可以提供副边电流时，此阶段结束。

(6) 功率输出 

t3之后逆变器输出电压电流同相，电源给负载供电，直至下一个转换过程开始。

2  零电压转换条件

由以上分析可知，要实现开关管的零电压开通，必须同时满足：1、有足够的能量将要开通的开关管两端电容电荷抽走同时给同一桥臂另一个开关管所并电容充电。2、死区时间要满足电容充放电时间。

2.1  能量分析

    假设开关管两端电容为Ci，变压器寄生电容为CB。则无论超前桥臂还是滞后桥臂，在转换过程中能量应满足以下关系：

                                    （ i=lag、lead）  （2）

即转换时，电感中储存的能量应大于电容充放电所需的的能量。由此可知，在输入电压Ud、电容Clag(Clead)一定时，可以通过增大谐振回路电感LR来满足能量关系。另外，当负载很轻（IL较小）时，上述能量关系不能满足。但在这种情况下IL较小，即使开关管不工作在零电压开关状态其损耗也是可以接受的，所以在进行参数设计时应以额定负载为基础。

2.2  死区时间分析

    从前面的分析发现，逆变器的超前桥臂（lead）和滞后桥臂（lag）的工作状态略有不同，因此其实现零电压开关的条件也不相同。

超前桥臂死区时间

    超前桥臂的开关管关断后，参与谐振的元件有C3+C4、LR、L0。由于等效电感很大，所以式（2）很容易满足。

    而死区时间由式（1）确定。

滞后桥臂死区时间

对于滞后桥臂的能量关系，式（2）可表示为：

(3)

其中：ILmin是原边最小电流，Udmax是最大输入电压。

滞后桥臂实现零电压转换的死区时间条件要比超前桥臂复杂。根据前面的分析，由于开关管两端的电容作用，开关管的关断总是可以实现零电压条件。对于将要开通的开关管情况就要复杂的多。以V2为例：首先，只有电容C2放电到D2导通后才能开通V2，所以滞后桥臂的最小死区时间应满足下式：

再有，如果谐振电流已经回零反向而V2还没有开通，则C2将从新被充电至电源电压，使之不能在零电压下开通。所以死区时间的最大值要满足下式：

由上分析可以得出结论，谐振回路的设计必须满足实现零电压的两个条件：足够大的电感能量储存和死区与谐振频率的配合。因此谐振电路参数的选择与开关频率、输入电压、输出电压、负载变化范围都有关系。

2.3  占空比丢失的讨论

通过对基本移相式FB-PWM的工作分析可知，为了给滞后桥臂提供足够时间实现零电压换相，一个直接的方法就是增大LR，这样可以扩大ZVS范围。但在t2～t3阶段电流下降斜率变小，变压器副边短路时间增加，从而增加占空比的丢失。同样在轻载时也会出现占空比丢失。占空比丢失可以表示为：

fs为电源工作频率。

设原边占空比为D,则副边输出电压是：

在变压器变比固定时输出电压减小。为了解决这一问题，人们研究了各种改进电路。主要有：利用饱和电感来代替LR；在工作状态（4）内强迫变压器副端开路，利用变压器励磁电感参与谐振；在滞后桥臂上附加开关增加零电压开关的负载范围等。[3]

3  集成芯片ML4818在FB-PWM中的使用

ML4818是由Micro Linear公司推出的一款移相控制集成电路，通过控制电路可以调节其两路输出脉冲的相位；开关死区时间可以通过外部设定来满足各桥臂的零电压开关条件；工作频率可达1MHz；内部设有积分误差检测和软启动功能。图4是其内部结构、工作原理和典型接线。

运放MOD的同相端是锯齿波，反相端是误差放大电平，比较结果经或门到触发器的S端。另一个运放的反相端有固定1V电压，当同相端4脚大于1V时输出高电平，也经过或门去触发器S端。时钟OSC输出加在R-S触发器的R端和另一个触发器的T端，输出端A1、A2、B1和B2的波形如图。可以看出，误差电压的变化将引起A、B两路信号相位的变化。其2、11两脚连接的电容CT和电阻RT决定工作频率；两路驱动信号死区时间由14脚的外接电阻决定。

(a)  ML4818的结构

     误差电平

            (b)  移相原理图                                (c) 典型接线图

图4  ML4818结构、移相原理与典型接线图

4  实验与结论

根据分析结果，利用ML4818作为主控元件设计了一个输出100W/30VDC的直流电源。参数如下：输入直流电压Ud=240V，n=4，滤波电感L0为100μH,开关管选用MOSFET的型号为IRF740。谐振电感LR=22μH，开关频率100KHz,设置死区时间300ns.

实验波形如图6所示。（a）为逆变器输出电压，(b)为逆变器电流。

通过实验证明理论分析是正确的。通过实测发现，在同等条件下，本设计开关管的发热要比硬开关PWM逆变器小得多，说明开关管损耗明显减小。

参考文献：

[1] 阮新波，严仰光.直流开关电源的软开关技术：科学出版社，2000.

[2] Sable D M,lee F C. The Operation of a Full-bridge Zero-voltage-switched PWM Converter. IEEE APEC 90’, 1990:275∽284.

[3] 徐晓峰等. 移相控制ZVS全桥变换器滞后臂死区时间分析，电力电子技术，1991.1.

[4] 王聪. 软开关功率变换器及其应用：科学出版社，2000.

                  (a)输出电压                                    （c）开关管V2电压

                      (b)输出电流                                （d）开关管V2电流

图5 电源实测波形（200V/div,2.5μs/div,0.2A/div）

作者简介：

李金刚  男  1968年生，西安理工大学自动化与信息工程学院讲师，在读博士。从事软开关电源和负载谐振电源的研究