移相控制ZVS PWM全橋變換器的直通問題分析

1 引言

在計(jì)算機(jī)、通信、航空航天等許多領(lǐng)域，開關(guān)電源以其體積小、重量輕、效率高等優(yōu)點(diǎn)逐步取代了傳統(tǒng)的線性電源。移相全橋零電壓開關(guān)PWM變換器結(jié)合了零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振技術(shù)和傳統(tǒng)PWM技術(shù)兩者的優(yōu)點(diǎn)，工作頻率固定，在換相過程中利用LC諧振使器件零電壓開關(guān)，其控制簡(jiǎn)單、開關(guān)損耗小、可靠性高，已經(jīng)普遍的應(yīng)用在中大功率應(yīng)用場(chǎng)合中,但這種變換器普遍存在著橋臂直通問題，本文分析了橋臂直通問題產(chǎn)生的一個(gè)容易被忽略的原因，并且提出了解決方案。

2 移相控制ZVS PWM全橋變換器直通問題分析

全橋變換器的電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中，D1~D4分別是開關(guān)管VT1~VT4的內(nèi)部寄生二極管，C1~C4分別是開關(guān)管VT1~VT4的內(nèi)部寄生電容或外接電容。Lr是諧振電感，它包括了變壓器的漏感。每個(gè)橋臂的兩個(gè)功率管成180°互補(bǔ)導(dǎo)通，兩個(gè)橋臂的導(dǎo)通角相差一個(gè)相位，即相位角，通過調(diào)節(jié)移相角的大小來調(diào)節(jié)輸出電壓。VT1和VT3分別超前于VT2和VT4一個(gè)相位，稱VT1和VT3組成的橋臂為超前橋臂，VT2和VT4組成的橋臂為滯后橋臂。

圖1　移相控制ZVS PWM DC/DC全橋變換器的主電路

對(duì)于全橋變換器的ZVS移相控制方式超前臂的ZVS實(shí)現(xiàn)較為容易，滯后臂的ZVS較為困難。全橋電路在一個(gè)周期內(nèi)的整個(gè)工作過程請(qǐng)參考文獻(xiàn)[1]。本文僅對(duì)實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)所遇到的問題做詳細(xì)的分析。問題產(chǎn)生的原因是超前橋臂和滯后橋臂的工作機(jī)理不同，在超前橋臂開關(guān)管開關(guān)的過程中，輸出濾波電感是參與能量的轉(zhuǎn)換，相當(dāng)于恒流源，而滯后橋臂開關(guān)管開關(guān)的過程中，變壓器處于短路狀態(tài)，因此參與諧振的能量很小，導(dǎo)致失去零壓條件。當(dāng)滯后臂的開關(guān)管VT4關(guān)斷后，C4電壓增加，VAB=-VC4，VAB為負(fù)電壓，使DR2也導(dǎo)通，將變壓器付邊短接，變壓器原邊電壓為零，VAB電壓全部加在漏感和諧振電感上，使原邊電流ip減少。如果漏感和諧振電感的能量較少，就會(huì)出現(xiàn)C4的電壓還沒有增加到Vin，原邊電流就已減少到零，C4的電壓就會(huì)使原邊電流反方向增加，而且C4的電壓也會(huì)下降，同時(shí)C2的電壓就會(huì)開始增加。VT2開通時(shí)，C2的電壓不為零，VT2就不能實(shí)現(xiàn)零電壓開通，而是硬開通。當(dāng)VT2開通時(shí)，C4的電壓已經(jīng)下降為零，其體二極管D4已經(jīng)導(dǎo)通，C2的電壓為Vin，VT2不僅是硬開通，而且橋臂直通。

圖2為變壓器中點(diǎn)電壓波形，由圖可知變壓器零電平一段有一個(gè)小凸起，沒有真正為零。這個(gè)小凸起是由于滯后臂開關(guān)管硬開通引起的。通過觀察滯后臂開關(guān)管VT4的G、S和D、S波形，可清晰地觀察到上述所遇到的現(xiàn)象。由圖3知，凸起是在開關(guān)管VT4關(guān)斷后產(chǎn)生的，當(dāng)滯后臂開關(guān)管關(guān)斷后，原邊電流ip給電容C4充電，電容兩端的電壓上升，但由于諧振電感和漏感的能量較小，經(jīng)過一段時(shí)間，電流反向，C4兩端電壓上升一段時(shí)間后又下降。由滯后臂VT4開關(guān)管的D、S和電流波形可以驗(yàn)證以上的分析。圖中平臺(tái)的小凸起對(duì)應(yīng)著中點(diǎn)電壓的凸起，驗(yàn)證了產(chǎn)生的原因?yàn)闇髽虮鄣挠查_關(guān)造成的。

由圖4可以看出：在D、S電壓凸起由零到頂點(diǎn)的過程，原邊電流ip剛好下降為零；在D、S電壓凸起由頂點(diǎn)到零的過程，電流剛好反向最大，體二極管導(dǎo)通，D、S電壓箝位為零，同樣可以驗(yàn)證上述分析的結(jié)果。

由于滯后橋臂沒有實(shí)現(xiàn)零壓開通，不僅導(dǎo)致了效率的下降，更加嚴(yán)重的問題是橋臂直通。圖5分別為同一橋臂兩個(gè)開關(guān)管的D、S電壓和電流波形，可以看到：在開關(guān)管VT4的體二極管還正在反向恢復(fù)時(shí)，開關(guān)管VT2已經(jīng)開通，則兩個(gè)開關(guān)管存在直通的可能性。輸入電壓全部加在功率管上，將導(dǎo)致炸機(jī)。

圖5滯后臂開關(guān)管VT2的D、S電壓和VT4的電流波形

3 防止直通問題的解決方案及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由以上分析可知：凸起是由于開關(guān)管VT4關(guān)斷后產(chǎn)生的，諧振電感和漏感的能量較小，原邊電流iF電流反向引起的，因此加大這部分諧振能量或者防止電流反向是解決此問題的方向。

⑴增大諧振電感，加大負(fù)載，使?jié)M足零壓開通條件。

圖6滯后臂VT4的D、S電壓電流波形（增大諧振電感，加大負(fù)載）

如圖所示，增大諧振電感，加大負(fù)載后開關(guān)管的D、S電壓波形和電流波形，大家可以看到，開關(guān)管關(guān)斷后，電流能量較大，沒有反向，電壓凸起消失。

⑵在原邊增加輔助諧振網(wǎng)絡(luò)

為給滯后橋臂增加的輔助網(wǎng)絡(luò)的原理圖，圖中Ca1和Ca2為電解電容，L1為輔助諧振電感，用此網(wǎng)絡(luò)來增加諧振能量，此網(wǎng)絡(luò)與負(fù)載無關(guān)，因此可以實(shí)現(xiàn)全程零壓開通，并且參數(shù)容易設(shè)計(jì)。從圖中可以看出小凸起同樣消失。

⑶用飽和電感替代傳統(tǒng)的線性電感。利用飽和電感在飽和狀態(tài)呈現(xiàn)高阻的性質(zhì)來防止電流反向。飽和電感詳細(xì)的工作原理。

4 結(jié)論

由上述分析得知，全橋電路的直通問題是典型問題，因此防止直通就成為全橋電路穩(wěn)定的重要方面。因此在設(shè)計(jì)電路參數(shù)時(shí)，只要保證在輕載時(shí)同一橋臂開關(guān)管不直通即可，即在開關(guān)管D、S的電壓還沒有降到零，則體二極管不會(huì)導(dǎo)通，此時(shí)同一橋臂的另外一個(gè)開關(guān)管導(dǎo)通，沒有直通。根據(jù)以上的分析，已經(jīng)成功的利用移相全橋電路應(yīng)用在相關(guān)的產(chǎn)品中，使全橋電路得到了廣泛的應(yīng)用。