一种新型移相全桥ZVZCS PWM变换器拓扑

摘要：实现了一种新的带双变压器结构的零电压零电流移相全桥PWM控制变换器。详细分析了该变换器的工作时序和工作状态，给出了各个状态的等效电路。在这个拓扑结构基础上，调试出一台工作功率840W，开关频率为100kHz的样机。同时列出实验波形以及效率曲线进一步验证了这一电路的优势。
关键词：移相全桥电路；ZVZCS；效率

O 引言
传统的全桥(Full-bridge――FB)PWM变换器适用于输出低电压、大功率的情况．以及电源电压和负载电流变化范围大的场合。为避免开关过程中的损耗随频率增加而急剧上升，在移相控制(Phase―Shifting Control――PSC)技术的基础上利用功率MOS管的输出电容和变压器的漏感作为谐振元件，使全桥变换器的4个开关管依次在零电压下导通，实现恒频软开关．称为全桥零电压开关PWM变换器。它由于实现ZVS主要靠变压器漏感储能，但在轻载的条件下，电感能量不够大，因此PSC FB ZVS―PWM变换器的滞后桥臂不易满足ZVS条件。所以有人开发出一种PSCFB ZVZCS―PWM变换器，这种电路在保证超前桥臂开关管实现零电压开通的条件下，利用在变压器原边串联一个饱和电感Ls的方法，实现滞后臂的零电流关断。其特点是滞后桥臂开关不再并联电容，以避免开通时电容释放的能量加大开通损耗。但是，外部加大电感会储存额外的能量从而产生大循环电流而加大损耗。
本文中提出了一种新型ZVZCS移相全桥PWM控制变换器，在超前桥臂实现ZVS的基础上，让滞后桥臂实现零电流开通与关断。

l 电路拓扑及其工作原理
电路拓扑如图1所不。在新的拓扑结构中，传统移相全桥PWM控制变换器巾的变压器中两个独立且相同参数的变压器替代，在前半个周期中，一个变压器实现传统电路巾的功能，另一个作为电感起作州。在后半个周期中互换功能。图l中D3和D4分别串联在滞后桥臂开关管S3和S4上用来阻断反向电流，实现零电流开通。取阻断电容Cb值较小使得VCb的纹波够大，使得开关管上电流能够迅速减小到零。

为了简化分析，作如下假设：
(1)所有的开关器件可以近似为理想器件；
(2)两个变压器的参数相同，变压器Tl与T2的励磁电感Lm1等于Lm2为Lm；
(3)C1=C2=Cr
将其工作过程分为8个模态进行分析。图2给出了电路的主要工作波形，图3给出了电路各个阶段的等效电路。各开关模态的工作情况描述如下。

(1)模态l|t0～t1| 对应于图3(a)。S1和S4导通。原、副边电流回路如图所示。阻断电容正向充电，到t1时刻，其上电压为Vcb(t1)，输出整流管DS2自然关断，所有负载电流均流过DS1。T1作为变压器传输能量到输出，而T2的励磁电感作为输出电感。

式中：n为变压器变比。

原边电流ip为

T1原边绕组上电流的斜率为

(2)模态2[t1～t2] 对应于图3(b)。在t1时刻关断S1，原边电流ip从S1中转移到C1和C2支路中，以相同的速率给C1充电，同时C2被放电。由于有C1和C2，S1是零电压关断，而同时由于Lm足够大，可以认为原边电流ip近似不变。

当C2放电完毕、VDS2下降到零后，ip通过S2的反并二极管D2续流。如图2中当VDS2下降到零后立即开通S2，实现零电压开通。
该模态的时间为

(3)模态3[t2～t3] 对应于图3(c)。开关S2零电压导通。Vp等于零，所以此时加在变压器原边绕组和漏感上的电压为阻断电容电压vcb，原边电流开始减小，原边电压极性开始改变。副边两个整流二极管DS1和DS2同时导通，此时原、副边绕组电压均为零，vcb全部加在漏感上。由于漏感较小，阻断电容较大，可近似认为vcb基本不变，ip基本是线性减小，即：

在t3时刻，原边电流下降到零。该模态时间为

(4)模态4[t3~t4] 对应于图3(d)。原边电流为ip=0，vp=Vcbp。副边两个整流管同时导通均分负载电流。
(5)模态5[t4～t5] 对应于图3(e)。在t4时刻关断S4，此时S4中没有电流通过，因此实现了零电流关断。此阶段原边电流仍为ip=0，Vp=Vcbp。副边也仍维持模态4的状态。
(6)模态6[t5～t6] 对应于图3(f)。在t5时刻开通S3，由于漏感的存在，原边电流不能突变，实现零电流开通。
由于原边电流不足以提供负载电流，副边两个整流管依旧导通．此时加在漏感两端的电压为一(Vin+Vcbp)，原边电流从零开始反方向线性增加。

在t6时刻，原边电流反方向增加到负载电流。该模态的时间为

(7)模态7[t6～t7] 对应于图3(g)。这一模态工作情况正好与模态l相反。S2和S3导通。原边开始提供负载能量，同时给阻断电容反向充电，到t7时刻，其上电压Vcb(t7)=-Vcb(t1)。输出整流管DS1自然关断，所有负载电流均流过DS2。T2作为变压器传输能量到输出，而T1的励磁电感作为输出电感。

(8)模态8[t7～t8] 对应于图3(h)。这一模态工作情况正好与模态2相反。在t7时刻关断S2，原边电流ip从S2中转移到C1和C2支路中，以相同的速率给C2充电，同时C1被放电。由于Lm足够大，可以认为原边电流ip近似不变。