50A/220V全负载范围软开关电站操作电源功率模块设计探讨

实现ZVS，必须满足一定的电感储能。

两个桥臂在软开关的实现条件上存在差异，超前臂容易实现而滞后臂困难。 特别是轻载时，滞后臂开关的ZVS开关条件更难满足。

2.2.5 基本FB-ZVS-PWM的问题与对策

⑴问题
①较大负载范围内（滞后臂）的ZVS条件（前已提及）。
②占空比损失

产生于电流+/-过渡时刻，原边电压不能到达副边，V2=0。而且，漏感Lr越大，占空比丢失越严重；输入电压越低，占空比丢失也越严重。如果为使输出电压保持不变而改变原副边匝比，则原边电流增加，开关管电流峰值增加，通态损耗加大。同时，使副边整流管电压应力增加。
③环流降低效率，本结构特有，但可减小。

⑵可以采取的解决方案
①增大谐振电感或采用饱和电感

(a) 增大谐振电感。在一定负载范围内实现ZVS，考虑和副边寄生电容的震荡，谐振电感值不能太大，它的引入导致副边占空比丢失加剧，尤其是输入电压最低，负载最大时，占空比丢失最厉害。
(b)采用饱和电感。不仅可以改善滞后臂的ZVS条件、减少部分占空比的丢失，而且，能使输出二极管寄生电容的振荡大大减小，减小能量循环。但是饱和电感磁芯上有损耗问题。

②利用激磁电感

谐振电感Lr一定,则需要一个最小I2电流来保证谐振电感Lr中有足够能量[见式（3）]可实现ZVS。因此，可增加激磁电流Im来实现ZVS。使用这种方法使原边电流增加了，从而会提高导通损耗和变压器损耗。并且当轻载时，会使变换器效率变得很低。

③利用输出电感能量获得宽ZVS范围

滞后臂ZVS更困难的原因在于：滞后臂换流期间，输出滤波电感未参与谐振。

采用磁放大器方式实现ZVS的拓扑如图9所示。此种方法下是通过调节副边磁放大器开关时间而不是原边相移来控制电压输出，减小了副边寄生振荡。

采用这种控制方式，原边为开环控制，固定相移，同时激磁电感被利用来实现轻载下的软开关。缺点是饱和电感中有磁损。

(a) (b)

图9 利用输出电感及磁放大器获得宽ZVS范围

④辅助网络

辅助网络常用于加在滞后臂上，因为滞后桥臂实现零电压开关比较困难，如图10所示。这类电路能在任意负载和输入电压内实现零电压开关，并且大大减小占空比丢失。

（a）利用电感和大电容 （b）利用LC电路

（a） (b)

图10几例辅助网络拓扑

在以上网络中，滞后臂开关时，漏感电流和辅助电路的电感电流同时给结电容充放电，从而在较宽负载范围内实现滞后臂的软开关。辅助电路电感和电容的电流、电压应力均与负载无关，且较小。在（a）中，需要两个容量很大的电解电容。而达到同样目的，（b）中只使用了一个容量很小的隔直电容。辅助电路中两个大电容可由辅助开关管代替。

⑤负载自适应控制

根据负载可自动调整死区时间，有利于在轻载时满足ZVS条件，重载时也不至于死区时间过大。

图11 死区时间的自适应调整

2.3 主变压器

⑴磁芯材料：铁氧体、非晶、超微晶（纳米微晶），单个或几个磁芯。其中，超微晶特点如下：
①BS高，1.25T～1.5T、体积小；
②居里点高：400℃～600℃；
③温度特性好：-55℃～+200℃，磁导率变化5%；
④Br小、损耗小、温升小；
⑤线性度；
⑥高频性能好；
⑦耐磨、抗腐蚀。

图12 三种磁芯材料（纳米晶,非墨和铁氧体）H回线比较

(a) (b) (c)

图13 超微晶特性

(a)：超微晶(A)、非晶(B)及铁氧体(C)的μ-f曲线，
(b) ：超微晶(A)、非晶(B，C)及铁氧体(D)的P-f曲线⑻,
(c)：匀加热时，超微晶的起始磁导率温度特性.

测量条件：B m=0.35T,f=20kHz

⑵散热

在散热方面需要考虑以下因素：
① 发热小的材料；
② 易散热结构；
③ 导热骨架：导热、稳定，需绝缘。

图 14 环型磁芯的导热设计示意

⑶ 绕组：电流密度、趋肤效应、换位、分组、易于制作。

2.4 输出整流

⑴ 结构
①采用先进的整流技术，以提高变换器的效率；
②采用单组或多组绕组、单组或多组整流二极管与否，视设计计算、仿真结果和器件采购情况而定；
③后备方案：倍流整流—减小变压器制作难度；（非）同步整流—降低输出级损耗。

⑵整流二极管及尖峰抑制

充分注意整流二极管反向恢复电流和特性引起的EMI和损耗问题；其寄生电容与线路中寄生电感、漏感一起产生振荡，引起二极管上电压尖峰。

除参数选择外，需要采取措施减小寄生振荡。可以采用以下措施：

①原边箝位，加二极管缓冲电路，可以减小整流桥的尖峰电压和二极管反向恢复造成的损耗；
②R-C吸收回路。R，C串联并在二极管两端。选取的原则：,其中；LT为脉冲变压器漏感（μH），CJ为二极管的极间结电容(pF)，N为脉冲变压器的原/副边匝比 Np/Ns；
③无损吸收、有源钳位、利用饱和电感等方法也可考虑。