大功率电镀高频开关电源的设计分析

存的能量对功率开关管的两端并联的输出电容充放电来使开关管两端的电压下降到零，使电路的四个开关管依次在零电压下导通，在缓冲电容的作用下零电压关断，从而有效的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，为变换器装置提高开关频率、效率，降低尺寸及重量提供了良好的条件。同时，还保持了一般全桥电路中的结构简单、控制方式简洁、开关频率恒定、元器件的电压电流应力小的优点。

　　要实现PWM DC/DC全桥变换器的软开关，必须引入超前桥臂和滞后桥臂的概念，定义斜对角两只开关管中先关断的开关管组成的桥臂为超前桥臂，后关断的开关管组成的桥臂为滞后桥臂。超前桥臂只能实现零电压开关ZVS，并且很容易实现零电压开关，不能实现零电流开关ZCS。滞后桥臂可分别实现ZVS和ZCS。根据超前桥臂和滞后桥臂实现软开关方式的不同，可以将软开关PWM全桥变换器分为两大类：一类是ZVS PWM全桥变换器，其超前桥臂和滞后桥臂都实现ZVS。无论是超前桥臂还是滞后桥臂，为了实现ZVS，有必要在开关管两端并联电容，或者利用开关管自身的输出电容;另一类是零电压零电流开关(ZVZCS)PWM全桥变换器，其超前桥臂实现ZVS，滞后桥臂实现ZCS，对于滞后桥臂，为了实现ZCS，不能在开关管两端并联电容。它们均采用移相(Phase一shift)控制方式[4]。为了使大功率电镀开关电源更好地适应电镀生产的恶劣环境，笔者选用了结构比较简单可靠的ZVS移相全桥变换器。

　　ZVS移相全桥变换器超前臂和滞后臂都实现零电压开关(ZVS)。由于变压器原边漏感和输出滤波电感的存在，超前臂关断时电流不会突变，只能实现ZVS。同样，由于变压器原边漏感的存在，滞后臂关断(或另一只开通)时，如果不设法使电流复位(减小至0)的话，也只能实现ZVS。实现的方法同样是在其开关管两端并联电容。ZVS移相全桥变换器的原理图如图5所示。

　　为了更好地理解其工作原理，在分析ZVS移相全桥变换器工作原理之前，先作如下假设:

　　① 所有开关管、二极管均为理想器件；

　　② 除特别指定外(如变压器漏感)，所有电容、电阻、电感、变压器均为理想元件；

　　③ 与开关管并联的电容中，Cl=C3，C2=C4；

　　④ 输出滤波电感L远大于变压器漏感，即L>>Lk。

　　ZVS移相全桥电路在主功率管Ql、Q4导通切换到Q3、Q2导通的半个开关周期中，要经历6个开关模态。其中a b两点间电压Vab。变压器原边电流ip和整流桥输出电压Vrect的波形如图6所示。分述如下。

　　图中二极管改为空心通直线，电容为平行线

　　（1）开关模态1

　　[t-，t0] 时刻：t0时刻之前，Ql、Q4导通。原边电流经Ql，主变压器原边，Lk，Q4向副边传输能量。a b间电压Vab=Vi，原边电流ip线性上升。

　　（2）开关模态2

　　[t0，t1]时间段：t0时刻，Q1关断，由于有C1的存在， Ql电压不能突变，电压缓升，是零电压关断。Ql关断后，a b间电压Vab开始迅速下降，但是仍大于0，故此时副边仍工作在整流状态。可认为输出滤波电感L与原边漏感Lk串联。因为电感电流不能突变，所以ip仍按原方向流动，并逐渐减小。电流ip给Cl充电，给C3放电。Vab在tl时刻减小到0。

　　（3）开关模态3

　　[t1，t2]时间段：t1时刻，C1充电，C3放电均结束，Vab减小到0。Q3的反并二极管D3自然导通。此[t1，t2] 时间段中开通Q3，则Q3是零电压开通。开通Q3时，由于原边电流方向不变，Q3上不会立即有电流流过。原边电流ip仍然流过D3，主变压器原边，漏感Lk和Q4，形成环流。

　　（4）开关模态4

　　[t2，t3]时间段：t2时刻关断Q4以后，原边电流ip给C4充电，给C2放电。由于Vab= -Vc4，副边整流管D2和D3开始导通，这使得整流桥工作在四只管子都导通的续流状态。在反向电压的作用下，ip下降速率增大。

　　（5）开关模态5

　　[t3，t4]时间段：t3时刻，C2放电至0，C4充电至Vi。Q2的反并二极管D2自然导通。这个时间内开通Q2，则Q2是零电压开通。此外，原边电流ip在-Vi的作用下，迅速下降。

　　（6）开关模态6

　　[t4，t5] 时间段：原边电流ip在-Vi的作用下减小至0并反向增加，但这时的原边电流很小，无法向负载输送能量，因此副边整流管仍然工作在续流模式下，直至t5时刻，原边电流反向增大，足以给负载供电。此后原边电流经回路Q2，漏感Lk，主变压器原边，Q3向负载供电，切换过程结束。

　　5 ZVS移相控制软开关控制方式存在的问题

由以上分析可以看出，ZVS移相全桥变换器要实现软开关，必须在有限时间内有足够的电流抽取开关管并联电容(附加并联电容与结电容之和)上的电荷，使开关管两端电压下降至0。既然ZVS移相全桥变换器软开关的实现与原边电流有关，那么在负载较轻的情况下，原边电流较小，使得零电