改进型全桥移相ZVS-PWM DC/DC变换器

摘要：介绍了一种能在全负载范围内实现零电压开关的改进型全桥移相ZVS－PWM DC/DC变换器。在分析其开关过程的基础上，得出了实现全负载范围内零电压开关的条件，并将其应用于一台48V/6V的DC/DC变换器。

关键词：全桥DC/DC变换器；零电压开关；死区时间

0 引言

移相控制的全桥PWM变换器是在中大功率DC/DC变换电路中最常用的电路拓扑形式之一。移相PWM控制方式利用开关管的结电容和高频变压器的漏电感作为谐振元件，使开关管达到零电压开通和关断。从而有效地降低了电路的开关损耗和开关噪声，减少了器件开关过程中产生的电磁干扰，为变换器提高开关频率、提高效率、降低尺寸及重量提供了良好的条件。同时保持了电路拓扑结构简洁、控制方式简单、开关频率恒定、元器件的电压和电流应力小等一系列优点。

移相控制的全桥PWM变换器存在一个主要缺点是，滞后臂开关管在轻载下难以实现零电压开关，使得它不适合负载范围变化大的场合[1]。电路不能实现零电压开关时，将产生以下几个后果：

1）由于开关损耗的存在，需要增加散热器的体积；

2）开关管开通时存在很大的di/dt，将会造成大的EMI；

3）由于副边二极管的反向恢复，高频变压器副边漏感上的电流瞬变作用，在二极管上产生电压过冲和振荡，所以，在实际应用中须在副边二极管上加入R－C吸收。

针对上述问题，常见的解决方法是在变压器原边串接一个饱和电感L_s，扩大变换器的零电压开关范围[2][3]。但是，采用这一方法后，电路仍不能达到全工作范围的零电压开关。而且，由于饱和电感在实际应用中不可能具有理想的饱和特性，这将会导致：

1）增加电路环流，从而增加变换器的导通损耗；

2）加重了副边电压占空比丢失，从而增加原边电流及副边二极管电压应力；

3）饱和电感以很高的频率在正负饱和值之间切换，磁芯的损耗会很大，发热严重。

改进型全桥移相ZVS-PWMDC/DC变换器是针对上述缺点所提出的一种电路拓扑[4][5][6]。它通过在电路中增加辅助支路，使开关管能在全部负载范围内达到零电压开关，它在小功率（3kW）电路中具有明显的优越性。由于在移相控制的全桥PWM变换器中，超前臂ZVS的实现相对比较简单，所以本文将不分析超前臂的开关过程，而着重分析滞后臂在增加了辅助支路以后的开关过程及其实现ZVS的条件。

1 改进型全桥移相ZVS-PWM DC/DC变换器

1.1 电路拓扑

图1所示是一种改进型全桥移相ZVS-PWM DC/DC变换器，与基本的全桥移相PWM变换器相比，它只在滞后臂增加了由电感Lrx及电容Crx两个元件组成的一个辅助支路。

图1 电路拓扑

在由L_rx及C_rx组成的辅助谐振支路中，电容C_rx足够大，其上电压V_Crx应满足

V_Crx≈V_in（1）

则电感L_rx上得到的是一个占空比为50％的正负半周对称的交流方波电压，其幅值为V_in/2。电感上的电流峰值I_Lrx(max)为

I_Lrx(max)=（2）

式中：V_in为输入直流电压；

T_s为开关周期。

电路采用移相控制方式，它的主电路工作原理也和基本的全桥PWM变换器完全一样。而辅助支路的存在，可以保证滞后臂开关管在全部负载范围内的零电压开通和关断。

1.2 电路运行过程分析

由于移相控制的全桥PWM电路在很多文献上已经有了详细的探讨，所以本文不具体地分析其工作过程，只讨论滞后臂开关管的开关过程及其达到零电压开关的条件。为了便于分析，假设：

——所有功率开关管及二极管均为理想器件；

——所有电感及电容均为理想元件；

——考虑功率开关管输出结电容的非线性，有C₁=C₂=C₃=C₄=（4/3）C_oss，并记C₃＋C₄=C；

——考虑变压器的漏感L_lk；

——由于电感L_rx及电容C_rx足够大，可以认为电感L_rx上电流i_Lrx在死区t_d内保持不变。

1）t₀时刻之前

在t₀时刻之前，如图2所示，变压器原边二极管D₁，开关管S₃，变压器副边二极管D₅处于导通状态，变压器原边电流ip通过二极管D₁和开关管S₃流通，并在输出电压nV_o的作用下线性下降，电路处于环流状态，实际电流方向与电流参考方向相反。在t₀时刻，变压器原边电流i_p(t₀)为

i_p(t₀)==－I₁（3）

式中：I₁是副边输出滤波电感L_f电流最小值反射到原边的电流值，显然，I₁的大小取决于负载情况。

图2 电路主要波形（死区时间被放大）

图中下标（Ⅰ）：i_p(t_d)≤I₁时，（Ⅱ）：i_p(t)=I₁（t≤t_d时）

此时，辅助支路电感L_rx上电流I_Lrx(t₀)为

i_Lrx(t₀)=I_Lrx(max)（4）

2）t₀～t₁时间段

在t₀时刻，开关管S₃在电容C₃及C₄的作用下零电压关断。从t₀时刻开始，电路开始发生LC谐振，使C₃充电，C₄放电，此阶段等效电路如图3所示，其中C为C₃与C₄的并联，变压器原边电压及电流为v_p和i_p，电容C上的电压及电流为v_c和i_c。在这时间段分别为