改进型全桥移相ZVS-PWM DC/DC变换器

图3 t₀～t₁时间段电路等效拓扑

v_p=L_lk（5）

i_c=C（6）

v_p＋v_c=V_in（7）

i_p－i_c=I_Lrx(max)（8）

初始条件为

i_p(t₀)=－I₁，v_c(t₀)=V_in

解方程式，并代入初始条件可得

i_p=－(I_Lrx(max)＋I₁)cosωt＋I_Lrx(max)（9）

v_p=(I_Lrx(max)＋I₁)sinωt（10）

v_c=V_in－(I_Lrx(max)＋I₁)sinωt（11）

i_c=－(I_Lrx(max)＋I₁)cosωt（12）

式中：ω=1/为谐振角频率。

这一谐振过程直到t₁时刻，电容C₄上的电压谐振到零，二极管D₄自然导通，这一过程结束。这一时间段长度为

t₁=arcsin（13）

此时

i_p(t₁)=－(I_Lrx(max)＋I₁)cosωt₁＋I_Lrx(max)=I₂（14）

3）t₁～t_d时间段

在t₁时刻，D₄导通，变压器原边电流i_p在输入电压V_in作用下线性上升。此阶段等效电路如图4所示。在这时间段有

v_p=V_in（15）

i_p=I₂＋(t－t₁)（16）

图4 t₁～t_d时间段电路等效拓扑

此过程可分为以下两种情况。

（1）在死区t_d结束时，i_p(t_d)≤I₁，则在t_d时刻，原边电流为

i_p(t_d)=I₂＋(t_d－t₁)（17）

（2）设在t₂时刻（t₂t_d），i_p(t₂)=I₁，则在时刻t₂，这一过程结束。此后保持

i_p(t)=I₁(t₂=t=t_d)（18）

原边通过变压器向副边提供能量。在t_d时刻，原边电流为

i_p(t_d)=I₁（19）

开关管S₄实现零电压开通的条件是在t_d时刻，开关管S₄上电压为零，即v_c(t_d)=0，必须满足

i_p(t_d)=I_Lrx(max)（20）

4）t_d时刻之后

在t_d时刻，开关管S₄开通，由于此时二极管D₄处于导通状态，开关管两端的电压被箝位在零，所以开关管S_{4实现了零电压开通。}

1.3 参数设计

由于实际电路中I_Lrx(max)足够大，谐振过程（t₀～t₁）很快就完成了。电路实现ZVS的条件可以近似为

1）在t_d=2I₁时，

I_Lrx(max)>=t_d－I₁＋I_x（21）

2）在t_d>2I₁时，

I_Lrx(max)>=I₁＋I_x（22）

式中：t_d为死区时间；

I_x为满足在死区时间内完成S₃充电，S₄放电所需要的最小电流。

I_x=（23）

可见，只要在

I₁(t)=（24）

时，电路能满足ZVS条件，那么电路在全部负载范围内都能实现ZVS。

根据以上分析，满足滞后臂在全部负载范围都能实现ZVS的条件为

I_Lrx(max)>-I₁(t)＋I_x（25）

则辅助支路电感L_rx为

L_rx=疲26）

假设在整个工作过程中电容C_rx电压变化不超过5％输入电压V_in，则有

C_rx>=牛27）

2 实验结果

利用以上分析应用于一48V/6V实验电路，该电路的主要数据为：

1）输入直流电压V_in=48V；

2）输出直流电压V_o=6V；

3）满载输出电流I_o(max)=40A；

4）主电路开关频率f_s=50kHz；

5）死区时间t_d=200ns；

6）变压器变比n=10∶2；

7）变压器漏感L_lk=2.2μH；

8）主开关管采用IRF530，输出结电容C_oss=215pF。

根据以上分析，利用式（23）～式（27），辅助谐振支路的参数为

L_rx=50μH，C_rx=5μH

图5，图6及图7是该实验电路滞后臂在开关过程中的开关管电压v_DS和驱动电压v_GS的实验波形。由图可见，开关管在全部负载范围内实现了零电压开关。

图5 空载状态滞后臂下管实验波形（I_o=0.05A）

图6 临界状态滞后臂下管实验波形(I_o=12.5A)

图7 满载状态滞后臂下管实验波形(I_o=40A)

3 结语

本文所讨论的改进型全桥移相ZVS-PWM DC/DC变换器不仅保持了全桥移相PWM电路拓扑结构简洁、控制方式简单的优点，而且保证了滞后臂在全负载范围内实现零电压开关。同时，辅助支路是无源的，容易实现且基本上不影响变换器的可靠性。