一种新型ZVZCS全桥PWM变换器

胡晓光  蔡惟铮

(哈尔滨工业大学， 黑龙江  哈尔滨  150001)

摘要：本文研究了一种新型全桥电路的零电压零电流开关（ZVZCS）变换器，分析了电路的原理和设计原则。与传统电路相比，提高了电源的转换效率及其电磁兼容性能。实验结果说明了分析和设计的正确性和可行性。

关键词：零电压零电流开关（ZVZCS）、全桥变换器、转换效率、磁兼容性能。

中图分类号：TM564

1  引  言

在电力系统通信和控制领域中，开关电源以其体积小、重量轻、效率高等优点逐步取代了传统的线性电源和SCR电源。近年来，受到广泛关注的移相控制全桥零电压开关变换器，具有恒频零电压软开关运行、移相控制实现方便、电流和电压应力小、巧妙利用寄生元件等一系列突出优点。但是，这种控制方法存在滞后桥臂软开关范围较窄、占空比损失较大、初级有环流损耗等方面的问题。据此，有学者提出移相全桥ZVZCS控制方法以克服纯移相控制的缺点[1]，但笔者认为在主回路中加二极管将增加电路的复杂性，影响效率和可靠性。

在高频开关电源中，MOSFET得到了大量应用，但MOSFET通态损耗较大、温度特性不好，温升较大时电源的转换效率下降较大。IGBT克服了MOSFET的上述缺点，但它在关断时有电流拖尾现象，因此限制了开关频率的提高。零电流开关方式可以提高IGBT的开关频率。DC/DC变换器中，全桥电路较适合于中大功率场合，但基本PWM全桥变换电路由于开关管工作于硬开关状态，损耗大，效率低，必须采用缓冲电路来吸收开关管的电压尖峰。

本文提出了一种基于全桥变换器的ZVZCS控制方法，采用IGBT作为功率开关、有限双极性控制方式，网络拓扑如图1所示。ZVZCS全桥PWM变换器实现了一个桥臂的零电压开关（称此桥臂为ZVS

　

图1  ZVZCS PWM全桥变换器         拓扑电路 Fig. 1. The topology of  ZVZCS PWM full-bridge converter

             

桥臂）C1、C3为外加吸收电容和Q1、Q3自身的输出电容之和，以实现ZVS，C1=C3=Cr。和另一个桥臂的零电流开关(称此桥臂为ZCS桥臂)，其中，Cb为隔直电容，用来防止偏磁和实现ZCS。L1k为外加饱和电感和变压器TR(匝比为N)的漏感之和，提高了电源的转换效率及其电磁兼容性能。

2  全桥变换器的工作原理

四个开关管的工作过程和各部分响应波形如图2所示，VGE是驱动信号，IP是变压器TR原边电流，VCb是电容Cb两端电压。

为了分析方便，假设：1）所有元器件是理想的，不考虑高频变压器的励磁电流；2）隔直电容Cb和输出滤波电感足够大。

在图1所示的ZVZCS-PWM全桥变换器在每半个开关周期中，有六种开关模式，分述如下：

(1) [0，t0]：

该模式中，Q1、Q4导通，功率从变压器原方传到副方，原边电流Ip(t)为副边电感电流I0的原边折算值，阻断电容Cb被充电，其电压VCb(t)线性增长。

Ip(t)=Ip0=I0/N                  （1）

VCb(t)=Ip0·t/Cb-VCbp         （2）

VCbp是电容Cb最高电压。在t0时，VCb(t)=VCbp,

图2  ZVZCS控制工作波形

Fig. 2. ZVZCS control operational waveforms

                 t0=2VCbp·Cb/Ip0            （3）

(2)[t0，t1]：

Q1关断，Q4继续导通。由于Q1、Q3上并联有电容，因此Q1的关断是零电压关断。Q1关断后，原边电流通过C1、C3进行续流。

VC1(t)=Ip0·t/(2Cr)      （4）

VC3(t)=Vin-VC1(t)       （5）

该过程所用时间为

 t01=2Vin·Cr/Ip0           （6）

(3)[t1，t2]：

C3上的电压降至零后，D3自然导通。注意此时Q3仍未开通。D3导通后，Vab被钳位至零，阻断电容上的电压VCb加到漏感上，原边电流线性下降，很快就不足以提供副边的电流，变压器副边的两个整流二极管同时导通，副边绕组的电压为零，原边绕组的电压也为零。

 Ip(t)=Ip0-VCbp·t/L1k    （7）

到原边电流为零所用时间为

t12=Ip0·L1k/VCbp         （8）

通过适当选择隔直电容Cb和漏感L1k的大小，使得环流很快被隔直电容所止，因此克服了移相控制中环流存在的缺点。

(4)[t2，t3]：

至时刻t2，原边电流为零，并试图反向增加。由于Q3未导通，电流给C3充电。由于隔直电容Cb很大，其上的电压很小，因此，C3在充满电后的电压也很小，电流很快降为零。振荡周期为

          （9）

为了降低环流结束后的反灌电流，可将电感L1k设计为饱和电感。由于饱和电感在小电流时的电感值变大，可使环流过程变长，避免了环流结束后的电流反灌。但L1k也不宜过大，以免影响占空比、增加环流损耗。

(5)[t3，t4]：

t3时刻，Q4关断。由于关断时电流为零，因此Q4为ZCS关断。此后，原边电流维持为0，等待下个半周的到来。

(6)[t4，t5]：

Q2 、Q3导通。由于Q3集电极电压很小，Q3可近似看成ZVS导通。由于Q3的导通不决定于死区时间，因此避免了移相控制中并联电容C1、C3选择的困难，轻载时的特性也更好。但此时Q2输出电容上的电压为Vin，在Q2开通时该能量全部通过Q2放掉，因此在选择Q2 、Q4时应选输出电容小的器件。这也是这种控制方法的缺点之一。在导通瞬间，

       Ip(t)=(Vin+VCbp)·t/L1k          （10）

原边电流上升到I0/N的时间为Ip0*L1k/(Vin+VCbp)。如果L1k选得合适，使这个电流上升时间大于功率管的开通时间，则Q2 、Q4的开通也是ZCS开通。但L1k太大又带来占空比丢失和环流损耗变大的问题，因此要综合考虑。

其后，副边整流管DR1截止，副边电流完全通过DR2，由第二个副边绕组提供。

至此，完成半个开关周期的分析。另一半周期的控制方法和工作过程类似。

3  实现ZCS和ZVS的条件

原边电流Ip从负载电流减到零的时间为：

t12=Ip0·L1k/VCbp=2Cb·L1k/t0=4Cb·L1k/D·TS               （11）

D为占空比，TS为开关周期。可见电流回零的时间t12与输入电压和负载电流无关，仅与电路的参数和占空比有关。即在很大负载范围内均可实现ZCS桥臂Q2、Q4的零电流关断。前面已提到，通过合理设计电感L1k，理论上也可实现Q2、Q4的零电流开通。

     ZVS实现的条件比移相控制法更为宽松，从（6）式可以看到，仅在极轻载条件下才实现不了ZVS。可以根据实际适当将Cr选大一些，以降低关断损耗。

     Cb太小则VCbp过大，使管子应力变大；Cb太大不易实现ZCS。应以其电压峰值小于10%Vin为宜。

4        实验结果

此方案用于高频开关通信电源中。IGBT选IR公司的600V/27A高速型IGBT(IRG4P50W)，开关频率达到60kHz。前级加PFC电路后整机效率达90%以上。图3给出了满载时的有关电压波形。

（a）ZVS桥臂栅漏电压（VGE）                   (b)ZCS桥臂栅漏电压（VGE）

及漏源电压（VCE）波形                 及漏源电压（VCE）波形

图3 实验结果

(a)    The ZVS waveforms of the gate-source             (b) The ZCS waveforms of the

voltage (VGE) and the drain-source                gate-source voltage (VGE) and the

voltage (VCE) on bridge arms                     drain-source voltage (VCE) on

bridge arms

Fig. 3. the experimental results

图3(a)说明ZVS桥臂是零电压导通的（漏源电压降为零后栅源电压才上升）。由图3(b)可以看到，ZCS桥臂没有完全实现零电流关断（管子关断时栅源及漏源电压波形有稍许重

叠），这是各电路参数折中设计的结果。

5  结  论

本文分析了ZVZCS PWM 全桥变换器的工作原理和设计思路。给出了实验结果。该变换器有以下优点：

（1）       克服了移相控制中环流损耗大、有效占空比变小等缺点，提高了变换效率。

（2）       实现ZVS和ZCS的负载范围和输入电压范围极宽。

（3）       结构简单，成本增加小，工程应用价值高。

实验结果证明了理论分析的正确性和实用上的可行性。

参考文献：

[1]  阮新波，等（Ruan Xinbo，et al）.零电压零电流开关PWM DC/DC全桥变换器的分析（Analysis of Zero-Voltage and Zero-Current-Switching PWM DC/DC Full-Bridge Converters）.电工技术学报(Transactions of China Electrotechnical Society), 2000，15（2）：73-77.

[2]  王聪，等（Wang Cong，et al）.一种简单的ZVZCS全桥PWM变换器的分析与设计(Analysis and Design of A Zero-Voltage Zero-Current-Switching Full-Bridge PWM Converter with Simple Typology).电工技术学报(Transactions of China Electrotechnical Society), 2000，15（6）：35-39

[3]  贺益康，等(He Yikang，et al). 电力电子技术(Power Electronics).浙江：浙江大学出版社(Zejiang:Press of Zejiang University)，1995：35-39。

[4]  李剑，等（Li Jian，et al）.带饱和电感的移相全桥零电压开关PWM变换器(Application of a PS-FB-ZVS-PWM Converter with Saturable Inductor).电力电子技术，2000，34（2）：13-15

作者介绍：

    胡晓光  女，1961年生，博士生，副教授，从事电力计量装置及其自动化的研究。

蔡惟铮  男，1938年生，教授，从事电力电子及电力传动方面的研究。