基于单周期控制的移相全桥谐振变换器

0　引言
　
　　谐振变换器具有容易实现软开关，可以工作在很高开关频率，同时产生的电磁干扰小的优点。但是一般的谐振变换器在输入和负载变化时一般通过变频来实现调节输出，这就为其他的设计带来许多不便，在移相全桥基础上设计的谐振变换器既可以实现软开关同时可以通过PWM的方式来调节输出。为了改善谐振变换器的动态响应采用改进的单周期控制方法，对输入和负载突变都有良好的动态响应。

1　移相全桥谐振变换器
　
　　移相全桥DC/DC变换器是一种采用移相控制技术的变换器，该变换器同一桥臂的两开关管的导通时间相等，但是互补的。相对于其他控制方式，移相控制全桥DC/DC变换器具有众多优点，诸如实现了软开关，结构简单，变换器适合高频工作，并能获得很高效率。移相全桥谐振DC/DC变换器是在移相全桥的基础上加入了谐振环节，构成了谐振变换器。

　　移相全桥谐振DC/DC变换器如图1a所示。图中，S1，S2 ，S3，S4为开关管；D1，D2，D3，D4 和C1，C2，C3，C4分别为S1，S2 ，S3，S4的寄生元器件；n1及n2分别为两个次级与初级的匝数比；Lr为谐振电感；Cr为谐振电容，输出部分采用Class－E倍流谐振整流器，如图1b所示。

　　为了简化分析，作如下假设：
　　
　　1）滤波电感足够大，工作于电流连续模式； 2）变压器励磁电感和漏感都折算到原边； 3）开关寄生电容为常量，不随电压变化；　4）所有开关管和二极管都是理想的。

2　 工作原理
　　
　　设占空比为D，开关周期为T，变换器的工作过程分为8个阶段，图2为主要的电压电流波形。

图2　　主要的电压电流波形
　　 模态1　T0时刻， 图1中开关管S1关断，由于谐振电感电流续流，电容C2放电，电压线性下降；C1充电，电压线性上升。电容C2放完电后，电感电流流过反并联二极管，此时S2导通，是零电压开通。
　　模态2　T0-T1，S2，S4同时导通，谐振回路继续谐振.
　　模态3 T1时刻，S4关断，由于谐振电感电流续流，电容C3放电，电压线性下降；C4充电，电压线性上升。电容C3放完电后，电感电流流过反并联二极管，此时S3导通，是零电压开通。
　　模态4　T1- T2， S2，S3同时导通，谐振回路继续谐振，一段时间后电流开始反向。
　　模态5　T2时刻，开关管S2关断，由于谐振电感电流续流，电容C1放电，电压线性下降；C2充电，电压线性上升。电容C1放完电后，电感电流流过反并联二极管，此时S1导通，是零电压开通。
　　模态6 T2- T3，S1，S3同时导通，谐振回路继续谐振.
　　模态7　T3时刻，S3关断，由于谐振电感电流续流，电容C4放电，电压线性下降；C3充电，电压线性上升。电容C4放完电后，电感电流流过反并联二极管，此时S4导通，是零电压开通。
　　模态8　T3- T4， S1，S4同时导通，谐振回路继续谐振，一段时间后电流开始反向。
下图给出了等效电路图，输入等效为一个方波电压源，变压器副边等效为一个电阻。

图3等效电路
　　对于谐振网络另一个重要的参数就是幅频特性，图4是不同负载时的幅频特性。由图可见，在相同频率和幅值的基波条件下，不同的负载得到的输出不同，即输出增益不同，因此在不同的负载条件下，改变基波的幅值大小即可得到相同的输出电压，这就是谐振变换器在输入变化和负载变化是可以通过改变占空比来调整输出的依据。同时为了实现软开关，整个谐振电路呈感性，这时电流滞后电压，为软开关创造条件。

3　单周期控制回路

图6 改进单周期控制方式原理

　　本文采取改进的单周期控制方式，这种控制方式对负载和输入突变都有良好的动态响应。见图6所示的改进单周期控制的buck电路，控制方式加入了一个pi调节环节。当输入电压变化时，改进单周期控制方式同普通单周期控制方式一样，能在一个开周期内迅速调整。当负载突变时，直流输出也会变化，此时的pi环节输出也变化，这相当于单周期的参考发生变化，由于输入直流母线不变，所以控制信号的占空比迅速变化，输出得到很快的调整。本实验中由单周控制模块得到占空比，然后经3875移相得到四路控制信号。

图7单周期控制回路

4　仿真电路及其波形

　　本文利用SIMetrix仿真软件对移相全桥谐振变换器进行仿真分析。电路参数设置为：输出Po＝200W,输入电压Vin=400v，谐振电感Lr=150μH，谐振电容为47n，开关频率Fs＝200kHZ。图8谐振电感电流以及谐振电容电压仿真波形，图9 S1的驱动波形以及S1漏源两极电压波形（验证软开关）。当输入电压突变时的动态响应和负载突变时的动态响应分别见图9和图10，仿真输出波形与理论分析完全相符，仿真结果表明上文工作分析是正确的。

5　实验结果

　　依据以上原理设计了一电路，采用单周期移相控制模式。关键波形如下图所示，左图分别是谐振腔两端电压和谐振电流，主电路的波形为正弦能够有效地减小电磁干扰问题，右图是S1的驱动信号和S1源漏极的电压，由实验波形可以看出，可以实现零电压开通。