移相全橋ZVZCS DC/DC變換電路的PSpice仿真研究

程瓊，劉瀟

(湖北工業大學電氣與電子工程學院，湖北武漢430068)

移相全橋ZVZCS DC/DC變換電路的PSpice仿真研究

程瓊，劉瀟

(湖北工業大學電氣與電子工程學院，湖北武漢430068)

軟開關電路具有開關損耗小、開關頻率高、工作穩定性強、可靠性高等優勢，選取了一種移相全橋ZVZCS PWM DC/DC變換電路，通過PSpice軟件對該軟開關電路進行仿真研究，為實際電路的研究提供依據。

移相全橋；軟開關；PSpice軟件

移相全橋軟開關是軟開關技術中發展比較成熟、應用廣泛的一種技術，其實現方式主要有零電壓開關(zero voltage switching，ZVS)和零電壓零電流開關(zero voltage zero current switching，ZVZCS)。當前應用較廣的ZVS變換器存在原邊有環流、變換效率降低、占空比丟失嚴重等缺點[1-3]，而本文研究的ZVZCS變換器在重載范圍中仍能確保超前橋臂實現零電壓開關和滯后橋臂的零電流開關，減小占空比的丟失，因而能夠提升軟開關電路的輸出效率，有效地彌補ZVS變換器的不足。

1 移相全橋ZVZCS變換電路的選取及工作過程分析

1.1 電路拓撲結構的選取

移相全橋ZVZCS變換電路主要通過移相控制的方式并依靠電路中自身的寄生電容和電感，外加諧振元件及輔助電路，使電路中開關管工作在軟開關或零損耗狀態下。在超前橋臂，利用變壓器的漏感或者原邊串聯電感和功率管的寄生電容實現零電壓開關，其實現方法同ZVS變換電路相類似[4]；在滯后橋臂，通過對原邊電流進行復位來實現，主要的實現方法有以下幾種[5]：(1)在變壓器原邊使用飽和電感和隔直電容，利用隔直電容上的電壓作為反向阻斷電壓源，使原邊電流復位，但是飽和電感損耗會限制變壓器最大功率，并且電容上的壓降也增加了導通損耗；(2)利用在超前橋臂上的IGBT管的反向雪崩擊穿，使變壓器漏感中儲存的能量完全消耗在超前橋臂的開關管中，因此需要很小的漏感；(3)在副邊加箝位電路，一般由電容和二極管組成，通過在續流期間將箝位電容上的電壓反射到變壓器原邊，加在變壓器漏感上，實現零電流開關。

本文在眾多ZVZCS拓撲結構[6]中選取了一種，其拓撲圖如圖1所示。在超前橋臂上的開關管Q1與Q3兩端分別并聯電容C1與C3，以實現超前橋臂的零電壓開關。在變壓器原邊主電路上串聯飽和電感Llk與隔直電容Cb，通過隔直電容上的電壓使原邊電流降為零時由飽和電感將電流箝在零位，以此實現滯后橋臂上開關管的零電流開關。

圖1 移相全橋ZVZCS主電路

1.2 電路工作過程分析

在一個周期內，主電路一共有10個開關模態。由于電路具有對稱性，因此此處僅對半個周期中的幾種模態進行分析(圖2)。在分析前進行如下假設，以簡化分析過程：

(1)圖中開關管、二極管均為理想器件；

(2)電感、電容、變壓器均為理想器件；

(3)1=2，忽略器件差異性。

1.2.1 開關模態0

在0時刻前，Q1與Q4導通，電流經過Q1、Llk、Cb、Q4在原邊形成回路，變壓器副邊整流側電流經過DR1、Lf、RL形成回路。原邊電流對隔直電容Cb充電，Cb兩端電壓線性上升。1.2.2開關模態1

圖2 ZVZCS PWM DC/DC變換器主要電流電壓工作波形

1.2.5 開關模態4

2 移相全橋ZVZCS變換電路的PS-pice仿真研究

2.1 仿真模型搭建

圖3所示為移相全橋ZVZCS電路的PSpice仿真模型[7]。輸入直流電壓為296 V，此電壓值是由峰值為311 V的交流電經過整流電路除去電路中的損耗后得到的電壓平均值。通過IGBT開關管ZA～ZD的的逆變作用，在變壓器K1原邊獲得高頻交流電壓，ZA與ZC為超前橋臂，ZB與ZD為滯后橋臂。變壓器K1模型為ETD59_3C90磁芯[8]，變比為25∶6∶6，設定參數couple值為1，即假設為完全耦合狀態，經過高頻變壓器的電氣隔離后在高頻整流管D5處輸出，電感L5與電容C4構成濾波電路，RL為負載。

圖3 移相全橋ZVZCS電路的PSpice仿真模型

2.2 仿真結果分析

圖4所示為超前橋臂開關管ZA實現零電壓開關的仿真波形，圖中曲線1為ZA的脈沖驅動電壓波形，其正向電壓為15 V，反向電壓為1 V；曲線2為ZA兩端電壓的波形，輸入直流電壓約為296 V。由仿真波形可以看出，在輕載情況下，開關管的脈沖驅動在其自身電壓下降為零時才給出，很好地實現了開關管ZA的零電壓關斷。

圖4超前橋臂ZA電壓波形及驅動電壓波形

圖5 所示為滯后橋臂開關管ZB實現零電流開關的仿真波形，圖中曲線1為ZB的脈沖驅動電壓波形，曲線2為流過ZB的電流波形，可以看出在ZB的電流為零時，給出開關管的驅動電壓，因此實現開關管ZB的零電流開通。

圖5滯后橋臂ZB電流波形及驅動電壓波形

圖6 所示為開關管ZC的電壓及電流波形，當ZC兩端電壓不為零時，流過開關管的電流為零；而當流過開關管的電流不為零時，開關管兩端電壓為零，這樣大大降低了開關損耗，很好地體現了軟開關特性。

圖6開關管ZC電流波形及電壓波形

圖7 所示為負載RL兩端輸出電壓波形，從波形分析可知負載電壓在經過2.4 ms的振蕩后，輸出電壓值趨于穩定，響應速度非常快。

圖7 負載輸出電壓波形

3 結束語

本文選取了在變壓器原邊串聯飽和電感及隔直電容的移相全橋ZVZCS軟開關電路，對電路工作過程進行了分析。采用PSpice仿真軟件搭建相應電路模型、設置仿真參數，在超前橋臂通過并聯電容實現零電壓開關；在變壓器原邊串聯飽和電感，當阻斷電容上的電壓使原邊電流復位到零以后，飽和電

Simulation research on full-bridge ZVZCS circuit based on PSpice

CHENG Qiong,LIU Xiao

According to the advantages of soft-switching which was more reliable and stable with a low swich loss and a high switching frequency,ZVZCS circuit was chosen.PSpice software was carried out the circuit simulation which could provide scientific basis for the research of real circuit.

phase-shifted full-bridge;soft switching;PSpice software

TM 46

A

1002-087 X(2015)03-0588-03

2014-08-15

程瓊(1959—)，女，湖北省人，教授，主要研究方向為電力電子與電力傳動。