带辅助网络的两路交错并联DC／DC变换器

摘要：提出了一种带辅助网络的两路交错并联DC／DC变换器，该变换器能通过辅助网络实现超前开关管的零电压开关(ZVS)。由于电路变压器次级的串联，通过对桥间移相角度与桥内移相角度的控制，可以使变压器次级电压产生交错，从而使得滞后桥臂利用另一全桥变换器产生的交错电流实现ZVS。给出了电路拓扑结构、工作原理及工作模态的分析，并给出了关键参数的设计。最后通过实验验证了理论分析的正确性。
关键词：变换器；软开关；交错并联；辅助网络

1 引言
移相全桥变换器以其控制简单，易于实现软开关等优点，成为近二十年来中、大功率直流开关电源产品的主流结构，并且得到了广泛的研究和应用。全桥变换器在实现软开关的过程中，虽然超前桥臂较易实现软开关，但对输出功率及桥臂中点串接的储能电感有一定限制，而对滞后桥臂实现软开关有更多的限制，主要存在滞后开关管的ZVS开通与占空比丢失的矛盾。
为提高变换器输出功率，实现全功率范围内的软开关，文献提出了两种通过两组以上变换器交错并联的方案，通过调节变换器与变换器之间的相位关系实现软开关和扩大输出功率。但该方案通过次级多相整流方式并不能实现所有开关管的ZVS，部分开关管甚至出现硬开关工作情况。
为了改善该变换器的性能，实现开关管的ZVS，在文献的基础上提出了带有辅助网络的两路交错并联DC／DC变换器。该变换器主要利用辅助网络实现超前桥臂的ZVS，利用变换器次级交错整流方式实现滞后开关管的ZVS。分析了电路的工作原理，给出了关键参数的理论分析，并对电路进行了实验，实验结果证明了理论分析的正确性。

2 电路结构及工作原理
图1示出所提出的两路交错并联DC／DC变换器主电路图。

其中A1，B1是超前桥臂；A，B2是滞后桥臂。该电路采用输入并联输出串联结构，La，Ca1，Ca2构成A桥的辅助回路，Lb，Cb1，Cb2构成B桥的辅助回路。电路中所有开关管工作在相同的开关频率fs，桥内移相角度(如V1与V3间的移相角)为θ，桥间移相角度(如V1与V3间的移相角)为φ。
在分析前，先假设：①所有元器件均为理想器件；②C1=C2=C3=C4=C5=C6=C7=C8=C；③A1超前A2的角度为θ；④A桥超前B桥的角度为φ；⑤Lf>>Llk1／K2，K为变压器初、次级匝比，Llk1=Llk2=Llk。
该变换器分为0θ90°和90°θ180°两个工作模态：在0θ90°模态中，变压器次级整流电压的平均值最小为零，最大为2KUin；在90°θ180°模态中，变压器次级整流电压的平均值最小为零，最大为KUin。由于这两个模态工作原理基本相同，此处以0θ90°工作模态为例，对变换器工作原理进行分析。
模态1[t0，t1] 在t0时刻，V1，V3，V5，V6导通。A桥初级电流ip1经V1，Llk1，TR1，V3形成初级回路；B桥中V5，V6导通，Lik进行续流。由于A，B两桥交错，此时Lik2中电流表现出增强趋势：次级电流分别经VDr1，Lf，Cf，R，VDr4，TR2次级，TR1次级形成回路。电路中的辅助电容Ca1和Ca2(Ca3，Ca4)容量很大，可看作两个电压源，其电压均为Uin／2。当V1，V5导通时，加在辅助电感La，Lb两端的电压分别为-Uin／2，其电流线性减小。
到t1时刻，La电流iLa达到最小值，此时La的峰值电流为：

模态2[t1，t2] t1时刻，V1，V6关断。V1关断时，ip1与iLa同时流出节点a，给C1放电和C2充电提供了足够能量。由于C1的充电，使得V1ZVS关断。在这段时间内，由于Lf很大，使得ip1近似保持不变。ip1和C1，c4的电压为：

V6关断时，由于A，B两桥交错，使得B桥初级电流ip2≈Ipk1，从而为滞后管并联结电容C6的充电和C7的放电提供了足够能量，使得V6 ZVS关断。此时：

在t2时刻，C4，C7的电压下降到零，V4的反并二极管VD,及V7的反并二极管VD7导通，工作模态2结束。
模态3[t2，t3] V4，V7驱动信号到来时，由于此时VD4及VD7已经导通，使得V4，V7ZVS开通。由于此时V5依旧导通，Lb两端的电压为-Uin／2，电感电流iLb继续减小。当V4导通时，La两端电压为Uin／2，因此iLa线性增大。此时iLa(t)为：

此时，V5，V7同时工作。由于A，B两桥交错，使得ip1开始增强。
模态4[t3，t4] V3关断后，由于A，B两桥交错，ip1不断增强，使得C2放电，C3充电，从而实现V3的ZVS关断。t4时刻，C2的电压下降到零，VD2自然导通，该模态结束。
模态5[t4，t5] t4时刻，C2放电完毕，VD2已经导通，此时V2驱动信号到来实现ZVS。
到t5时刻，iLb减小到零，开始过零并向负方向增大，该模态结束。t5时刻以后，iLb(t)为：

模态1～5为1／4个工作周期，实现了V1ZVS关断和V4的ZVS开通，及V2的ZVS开通与V3的ZVS关断。模态6～16为后3／4个周期，其原理与前1／4个周期类似，此处不再赘述。

3 软开关的实现及参数设计
3．1 超前桥臂实现ZVS的条件及参数设计
以A桥为例，V1(V4)开通(关断)时，ip1和iLa同时流入(流出)节点a，且同时给C1，C4充、放电，使之在各种工作状态下，在开关管开通前抽完寄生于该开关管并联结电容上的电荷，实现ZVS开通。同时，由于开关管关断时并联结电容的充电，而使得开关管实现ZVS关断。
为了实现超前管的ZVS，在死区时间td内必须确保超前管并联结电容放电完毕。需要满足：

3．2 滞后桥臂实现ZVS的条件及参数设计
V3(V2)开通(关断)时，由于A，B两桥次级的交错，使得ip1逐渐增强，当电流在滞后管关断时的能量满足使开关管并联结电容放电完毕时，滞后管实现ZVS开通。
设在V2，V3开通(关断)时，由于A，B全桥次级的交错，此时ip1增强，设此时ip1=Ip1，那么：Ip3=Ip1+Ip2。此时，若想实现V2，V3的开通(关断)，在不考虑变压器初级绕组寄生电容的情况下需满足：


4 实验结果
为验证理论分析的正确性，进行了实验验证，其参数为：Uin=40 V；Uo=150 V；满载输出功率P=750 W；C=1 nF；fs=20 kHz；td=2．5 μs；K=1／3，La=Lb=100 μH，Ca1=Ca2=Cb1=Cb2=200 μF，Lf=300 μH，Cf=1 000 μF。图2为实验波形。