一種寬范圍全橋移相ZVS電源

田浩洋，張盛兵，王 凱

（西北工業大學軟件與微電子學院，陜西 西安 710029）

0 引言

全橋移相拓撲具有高功率密度和高效率等優點，廣泛應用于中、大功率電源中。但在電路中，其滯后橋臂在輕負載下無法達到ZVS開通，因而造成較大的損耗［1］。同時，由于諧振電感的存在，通過變壓器的耦合，其與輸出整流管的寄生電容形成諧振回路，從而有可能增大二極管的損耗［2］。此外，輸出電壓的調節范圍無法滿足用戶的要求，為此，在引入輔助支路改善軟開關的基礎上，在變換器直流側引入兩級穩壓電路，以實現寬范圍負載輸出。

1 變換器工作原理

帶輔助諧振網絡的移相全橋零電壓變換器主電路如圖1所示。其中，Q1和Q3構成超前橋臂，Q2和Q4構成滯后橋臂［3］。Lr是變壓器漏感，與傳統的移相控制ZVS PWM DC／DC變換器相比，它在滯后橋臂增加了由電感La，電容Ca1，Ca2和二極管Da1，Da2組成的諧振網絡。引入諧振網絡，解決了傳統移相全橋變換器滯后橋臂難以實現ZVS的問題。

圖1 主電路拓撲

在分析其工作過程之前，對電路作如下假設：所有開關、二極管均為理想器件；電容、電感均為理想元件；C2=C4=Cmos，Ca1=Ca2=Ca。

1.1 開關模式0

t0時刻前，Q4導通，輔助電感電流通過Q4和Da2續流，電流值為：

1.2 開關模式1

在t0時刻，Q4關斷，iLa和變壓器漏感電流iLr同時給C4充電，給C2放電，原邊電流下降，在這段時間內，各電容、感電流為：

在t1時刻，C4電壓上升到Vin，C2電壓降到零，D2自然導通。

1.3 開關模式2

在本階段，Q2零電壓開通，其兩端電壓vAB=-Vin。當原邊電流下降到零時，D3自然關斷，Q3流過電流。在t2時刻，Lr的電流下降到-ic，此時有：

1.4 開關模式3

在本階段，Lr和La及Ca1和Ca2諧振工作，iLa反向增加，給Ca2充電，給Ca1放電。

1.5 開關模式4

在此模式中，Q2和Da1導通，輔助電感電壓被箍位為零，iLa=-Ia，在t4時刻Q2關斷，開始另一個半周期，其與上述過程類似。

從上述分析可得：

a.輔助電容和二極管不參與滯后橋臂的開關過程，只為輔助電感建立最大電流Ia，并簡化滯后橋臂的開關過程。

b.在滯后橋臂開關時，輔助電感電流iLa是最大電流Ia，流進或流出節點B，以使諧振電感實現滯后橋臂的零電壓開關。

2 直流調壓設計

為降低開關管調節壓力，在開關管輸出端，即在交流輸入整流后進行兩級穩壓調節，將整流輸出預調節到目標輸出值附近，而后再通過移相全橋進行精細調節以達到設計目標［4］，直流調壓設計如圖2所示。

圖2 直流調壓電路

圖2中，Vdc＿in是經整流橋整流后的初級直流電，由R1，C1，Q1和 Q2構成初級穩壓（粗穩）電路，其中，Q1和Q2為達林頓結構，通過配置R1使Q1和Q2工作于放大區，在不改變C1的情況下可以得到較大的等效濾波電容。R2，Q3，Q4和Q5構成后級調整（粗調）電路，其中，Q5的導通狀態受到系統輸出的控制，以實現對直流電壓的粗調，使移相全橋輸入電壓Vdc＿out接近于目標輸出，從而減小開關管調節壓力。R4，R5，R6，R7，C4和 D1構成直流取樣支路，其對移相全橋輸入直流電壓進行采樣，提供給CPU進行判斷和控制。

3 實驗結果

根據設計試制了一臺樣機，輸入交流電壓為220V，輸出直流電壓為50～500V，滿功率為450 W，開關頻率為25kHz。主控制芯片采用16位的STM32F103C8。開關管選擇IPP60R199CP，其參數為漏源極電壓650V，漏極額定電流為16A。變壓器采用超微晶磁芯，其變比為25∶65，原邊漏感為40μH。整流二極管為IDP09E120，其反向恢復電壓為1200V，額定電流為9A。輔助支路諧振電感為160μH，輔助電容為5μF。

圖3為Q2和Q4的驅動信號移相波形，可見此兩路脈沖互補且有一定的相移，通過調整相位移動的大小即可調整輸出電壓。Q1和Q3的脈沖與此類似。

圖4為Q3的電壓與驅動波形，可以看出，開通和關斷均實現了零電壓開關。

圖5為Q3零電壓開通波形，可以看出，在驅動脈沖上升到閾值電壓5V之前，開關管的端電壓已經降為零，從而減小了開關損耗。

圖6為Q3零電壓關斷波形，可見在其端電壓上升前驅動脈沖先行下降，從而減小了關斷損耗，實現了零電壓關斷。

圖3 移相驅動波形

圖4 軟開關效果

圖5 ZVS開通的局部放大

圖6 ZVS關斷的局部放大

經測試，當輸入交流電壓在額定值220V時，系統能夠根據上位機的設定而輸出電壓為50～500 V，電流為0.95～9.6A的電流，滿足了用戶提出的指標要求。由于采用了輔助諧振網絡及直流調壓電路，因而降低了功率器件的調節壓力及損耗，為系統長時間穩定運行提供了安全的保障。

4 結束語

寬范圍可調移相全橋電源具有廣闊的應用前景，尤其在雷達發射機和脈沖點火等軍事領域。針對移相全橋拓撲固有的滯后橋臂難以實現軟開關及負載大范圍調整等技術難點，設計了輔助諧振網絡，從而使滯后橋臂實現了軟開關；同時在移相全橋輸入直流側設計了兩級直流調壓電路，簡化了系統調壓控制的復雜性并減小了開關管調壓負擔。

［1］阮新波，嚴仰光.直流開關電源的軟開關技術［M］.北京：科學出版社，2000.

［2］Martins M L，Russi J L，Hey H L.Zero-voltage transition PWM converters：a classification methodology［J］.Electric Power Applications，2005，152（2）：323-334.

［3］唐建軍.基于DSP的數字控制移相全橋變換器［D］.廣州：華南理工大學，2003.

［4］Xu Dehong，Zhao Chuanhong，Fan Haifeng.A PWM plus phase-shift control bidirectional DC-DC converter［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，2004，19（3）：666-675.