移相橋滯后橋臂實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)的方法綜述

0 引言

全橋變換器（Full-bridge Converter）通常應(yīng)用于功率大于400W的開關(guān)電源中，特別是在大功率的通信電源中應(yīng)用比較廣泛。但是，硬開關(guān)條件下的全橋變換器會(huì)帶來很大的開關(guān)損耗，不利于開關(guān)頻率和電源轉(zhuǎn)換效率的提高。針對(duì)硬開關(guān)損耗大的問題，有人提出了移相控制方法。通過移相控制可以實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的零電壓開通和關(guān)斷，從而大大改善了開關(guān)管的開通與關(guān)斷條件，這樣便可以提高開關(guān)的頻率，減少電源的體積，提高電源的轉(zhuǎn)換效率。

1 概述

移相全橋變換器如圖1所示。要實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的零電壓開通，必須要有足夠的能量用來抽走將要開通的開關(guān)管的結(jié)電容（或外部附加電容）上的電荷；并給同一橋臂要關(guān)斷的開關(guān)管的結(jié)電容（或外部附加電容）充電；同時(shí)，考慮到變壓器的原邊繞組的寄生電容，還要抽走變壓器原邊繞組寄生電容上的電荷。

圖1 傳統(tǒng)零電壓開關(guān)的移相全橋電路

由于超前橋臂在開關(guān)過程中有輸出電流的參與，因此，很容易實(shí)現(xiàn)ZVS。而滯后橋臂在開關(guān)過程中，變壓器原邊是短路的，此時(shí)整個(gè)變換器就被分成兩部分，一部分是原邊電流逐漸改變流通方向，其流通路徑由逆變橋提供；另一部分是負(fù)載電流由整流橋提供續(xù)流回路。負(fù)載側(cè)與變壓器原邊沒有關(guān)系。此時(shí)用來實(shí)現(xiàn)ZVS的能量只是諧振電感（漏感和附加諧振電感）中的能量。而諧振電感很小，因此，滯后橋臂開關(guān)管實(shí)現(xiàn)零電壓開通比較困難。

2 非拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)性改變的解決方法

從上面的分析可知，滯后橋臂的開關(guān)動(dòng)作發(fā)生在回流過程向能量傳送過程的轉(zhuǎn)化階段，由于輸出電感電流不能反饋到原邊，使滯后橋臂的開關(guān)管并聯(lián)電容只能依靠變壓器原邊的諧振電感進(jìn)行充放電，而諧振電感中存儲(chǔ)的能量很小，使得滯后橋臂開關(guān)管實(shí)現(xiàn)零電壓開通變得很難,特別是在低負(fù)載的時(shí)候更為明顯。

要實(shí)現(xiàn)滯后橋臂的ZVS，必須滿足LrI22>ClagVin2＋CtrVin2，要滿足它就必須增加諧振電感Lr和增加電流I2。這樣，就有兩種非拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)性改變的方法可以解決滯后橋臂開關(guān)管零電壓開通難的問題：增加勵(lì)磁電流和增加諧振電感。但是，增加勵(lì)磁電流會(huì)增加變壓器的損耗，增加諧振電感又將引起副邊占空比的丟失。為了更容易實(shí)現(xiàn)滯后橋臂的開關(guān)管零電壓開通，達(dá)到既不增加開通損耗，又減少占空比丟失的目的，近來一些新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)被提出。

3 滯后橋臂并聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)的零電壓開關(guān)移相全橋變換器

為了克服滯后橋臂實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)難的問題，同時(shí)又不會(huì)引起占空比的丟失和開通損耗的增大，文獻(xiàn)提出了一種在滯后橋臂并聯(lián)一個(gè)諧振電感和兩個(gè)諧振開關(guān)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖2所示。開關(guān)的控制策略如圖3所示。本拓?fù)湓诎雮€(gè)周期內(nèi)有6個(gè)工作模態(tài)。

圖2 滯后橋臂并聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)的ZVS移相全橋變換器

圖3 滯后橋臂并聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)變換器的控制策略

模態(tài)1 S1及S2同時(shí)導(dǎo)通，濾波電感電流線性增加。

模態(tài)2 S1關(guān)斷，原邊電流抽取S3并聯(lián)電容C3上的電荷，同時(shí)對(duì)S1并聯(lián)電容充電，在充放電完畢，D3導(dǎo)通。由于輸出電路電感很大，因此，流過濾波電感上的電流可以看作為一個(gè)恒流源。

模態(tài)3 在D3導(dǎo)通后，就可以零電壓開通S3。此時(shí)，變壓器原邊電壓變?yōu)榱悖边呺妷阂餐瑫r(shí)變?yōu)榱悖?個(gè)整流二極管同時(shí)導(dǎo)通，以維持輸出濾波電感電流。

模態(tài)4 關(guān)斷S2，利用存儲(chǔ)在漏感上的能量抽取C4上的電荷，并給C2充電，當(dāng)漏感很小，存儲(chǔ)在漏感中的能量不足以抽取C4上的電荷，并給C2充電時(shí)，D4就不會(huì)導(dǎo)通，那么S4就不能實(shí)現(xiàn)零電壓開通。為了使S4實(shí)現(xiàn)零電壓開通，在關(guān)斷S2前先開通Sa來建立諧振電流。

模態(tài)5 當(dāng)諧振電流建立到足夠大時(shí)，同時(shí)關(guān)斷S2及Sa，這樣有諧振電感和漏感上的能量一同提供充放電所需的能量，使得S4實(shí)現(xiàn)零電壓開通。

模態(tài)6 當(dāng)D4導(dǎo)通，就可以在零電壓條件下開通S4，輸出電流反饋到原邊流過S3及S4。在諧振電感上的能量經(jīng)過S4和Db回饋到電源。

后半個(gè)周期工作狀態(tài)跟前半個(gè)周期一樣。

本電路的優(yōu)點(diǎn)是：

1）滯后橋臂能夠成功地實(shí)現(xiàn)零電壓開通關(guān)斷；

2）開關(guān)的開通損耗比較低；

3）占空比丟損比較小。

本電路中，諧振電感的設(shè)計(jì)比較重要，如果諧振電感選擇得過大，就容易引起不必要的開通損耗，如果過小，又不能夠使滯后橋臂實(shí)現(xiàn)零電壓關(guān)斷。諧振開關(guān)的開通時(shí)間也要合理選擇，才能在實(shí)現(xiàn)滯后橋臂的零電壓關(guān)斷的條件下又不引起過多損耗。

上面電路的主要缺點(diǎn)是在負(fù)載比較小的時(shí)候，實(shí)現(xiàn)超前橋臂的零電壓關(guān)斷比較困難；電路中增加了兩個(gè)諧振開關(guān)，使電路成本增大；控制電路比較復(fù)雜；諧振電路的開關(guān)是硬開關(guān)關(guān)斷，將會(huì)產(chǎn)生額外損耗；兩個(gè)諧振電路都是與同一個(gè)橋臂兩個(gè)開關(guān)管并聯(lián)，使得電路阻尼震蕩加劇。

4 一種新的并聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)的零電壓開關(guān)移相全橋變換器

文獻(xiàn)中也提出了一種并聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)的方法，是將諧振網(wǎng)絡(luò)分別與兩個(gè)橋臂的下管并聯(lián)，如圖4所示。這樣需調(diào)整一下控制方法，其控制策略如圖5所示。S2及S4的開通時(shí)間為DT/2，而S1及S3的開通時(shí)間為（1－D）T/2，占空比的調(diào)節(jié)不需要移相，只要調(diào)整S2及S4的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的寬度就可以實(shí)現(xiàn)。由于S1及S3的開通處于能量傳送過程，其并聯(lián)電容上的電荷能夠在它們開通前由原邊漏感電流和副邊耦合過來的電流抽掉，它們能夠?qū)崿F(xiàn)零電壓開通，但S2及S4處于換流階段，存儲(chǔ)在漏感上的電流不足以使S4或S2的并聯(lián)電容的電壓降到零，這樣需要借助諧振電路。在S2（S4）導(dǎo)通前，打開諧振開關(guān)Sa1（Sa2），在諧振電感上建立諧振電流，當(dāng)S1（S3）關(guān)斷時(shí)，就可以參與橋臂并聯(lián)電容的充放電。這樣電路中的4個(gè)開關(guān)管可以全部實(shí)現(xiàn)零電壓開通。在該電路中，諧振支路與主開關(guān)管并聯(lián)，可以實(shí)現(xiàn)任意較寬負(fù)載的零電壓開關(guān)。由于可以減少漏感，從而減少了占空比的丟失。有源輔助電路種類的增加，使得選擇最合適的電路并使設(shè)計(jì)達(dá)到要求成為可能。

圖4 一種新的并聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)的ZVS移相全橋變換器

圖5 新的并聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)的ZVS移相全橋變換器控制策略

5 一種全新的PWM-ZVS-FB變換器

上述電路都有一個(gè)共同的缺點(diǎn)，即在輕載時(shí)實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)比較困難，并且增加了兩個(gè)諧振開關(guān)，使得控制電路變得非常復(fù)雜。文獻(xiàn)[4]中提出了一種全新的PWM?ZVS-FB變換器，如圖6所示，變換器各點(diǎn)波形如圖7所示。左橋臂是滯后橋臂，右橋臂是超前橋臂。左橋臂和左邊兩個(gè)電容（兩個(gè)電容很大，可以看成是兩個(gè)電壓源），變壓器T1構(gòu)成一個(gè)半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；左右橋臂和變壓器T2構(gòu)成一個(gè)全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，左橋臂上下開關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間為半個(gè)周期（死區(qū)時(shí)間忽略不計(jì)）。通過調(diào)節(jié)右橋臂與左橋臂開通和關(guān)斷信號(hào)的相位，實(shí)現(xiàn)電壓的調(diào)節(jié)。其滯后橋臂零電壓開關(guān)主要通過變壓器T1和變壓器T2的勵(lì)磁電流來實(shí)現(xiàn)。為減少占空比的丟失，將兩個(gè)變壓器的漏感取得比較小，變壓器T1上的勵(lì)磁電流波形如圖8所示，因此，變壓器T1的勵(lì)磁電流的增大不會(huì)引起占空比的丟失，而變壓器T2的勵(lì)磁電流波形如圖9所示，它的增大會(huì)引起開關(guān)導(dǎo)通損耗增加。為了降低占空比損失，避免引起過多的開通損耗，將變壓器T1的勵(lì)磁電流取得比較大，將變壓器T2的勵(lì)磁電流和兩變壓器的漏感取得比較小。由于輸出電壓等于變壓器T1和變壓器T2的副邊電壓值之和，當(dāng)兩個(gè)變壓器副邊電壓和變?yōu)榱銜r(shí)，開關(guān)S1上的電壓已抽走了一部分，在原邊被副邊鉗位后，S1上的電壓不是Vin，而是低于Vin，使實(shí)現(xiàn)滯后橋臂開關(guān)管的零電壓開通更加容易。由理想波形圖圖7分析可看出，由于兩個(gè)變壓器同時(shí)傳送能量，該電路的輸出電壓的紋波也很小，這樣輸出濾波電感可以設(shè)計(jì)得很小，從而減少了設(shè)計(jì)成本和變換器的體積。

圖6 全新的PWM-ZVS- FB變換器

圖7 全新的PWM-ZVS-FB變換器各點(diǎn)波形

圖8 變壓器T1原邊勵(lì)磁電流波形

圖9變壓器T2原邊勵(lì)磁電流波形

該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在沒有增加任何開關(guān)管的情況下，成功實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)，而且由于變壓器T1的存在，使得零電壓開關(guān)可以在輕載時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)。同時(shí)又使輸出的性能得到改善。

6 結(jié)語

傳統(tǒng)移相橋通常用于大功率的開關(guān)電源中，其滯后橋臂開關(guān)管難以實(shí)現(xiàn)零電壓開通制約著它的應(yīng)用，為更好地改善滯后橋臂的開通條件，真正實(shí)現(xiàn)零電壓開通，許多技術(shù)和拓?fù)浔惶岢觥１疚耐ㄟ^對(duì)傳統(tǒng)的移相PWM-ZVS-FB變換器的特點(diǎn)及其存在問題進(jìn)行分析，并對(duì)最近出現(xiàn)的實(shí)現(xiàn)全橋零電壓開關(guān)的解決方法進(jìn)行詳細(xì)的分析，比較了它們的優(yōu)缺點(diǎn)。這幾個(gè)方法和拓?fù)涠即蟠蟾纳屏藴髽虮鄣拈_通條件，特別是最后的那種方法不但實(shí)現(xiàn)了零電壓開關(guān)，還改善了輸出濾波條件，值得我們進(jìn)行更深入的研究。