移相全橋軟開關變換器的研究和設計

王 鑫

（賀州學院，廣西賀州，542800）

移相全橋軟開關變換器的研究和設計

王 鑫

（賀州學院，廣西賀州，542800）

DC/DC變換器主要向著高效率、高功率密度、高質量輸出和高可靠性方向發展。移相全橋軟開關變換器的研究在這方面也顯得較為突出。本文主要針對變換器的性能進行研究，設計一種能夠實現升壓的高效隔離DC-DC變換器，并使之廣泛應用。

軟開關； 移相全橋； 變換器

0 引言

為克服DC-DC PWM（脈沖調制）功率變換器在硬開關狀態下工作的諸多問題，軟開關技術在DC/DC變換器中的使用越來越普遍，移相全橋軟開關DC/DC變換器的使用，已成為趨勢。軟開關技術是使功率變換器得以高頻化的重要技術之一，是80年代初由美國弗吉尼亞電力電子中心李澤元教授首先提出并應用于DC / DC變換器中，其特點是減少開關損耗、降低電磁干擾，大大提高了變換器的效率。

1 國內外研究現狀

1.1 國內外研究現狀

在一切電器設備重，都需要電源來進行設備的控制，可見電源的重要性。由于開關電源的便捷性，已經占領電源市場的大部分，并取代了線性電源。隨著人民生活水平的提高和信息科學技術的飛速發展，傳統的開關已經不能滿足人們的需求，而隨著人們對開關損耗小，工作效率高等要求，軟開關進入人們的眼球，且倍受青睞。

目前，國內外主要使用的開關技術是硬開關技術，硬開關存在以下缺點：開關耗損大、感性管段電尖峰大、容性開通電流尖峰大、電磁干擾嚴重，這些問題嚴重阻礙了開關元器件的工作效率的提高。為了改善硬開關的這些缺點，人們設計研了軟開關來取代硬開關。近年來，各國的專家學者開始重視軟開關技術的發展，應用軟開關的電子產品也正在逐漸的增加，軟開關技術也越來越完善，其應用也將會越來越廣泛。

1.2 開關電源的發展趨勢

近年來，隨著科技的發展和電子技術的提高，數字化發展已經成為電子行業的發展趨勢，數字控制的優勢日益凸顯。數字化控制具有以下優勢：

（1）系統緊湊，有較強的通用性，性價比高。數字控制的硬件設計緊湊，通用性能強，可以在多個元器件上使用，使其達到較高的性價比。

（2)靈活性較強，能夠隨時修改。數字控制系統中，可以直接改變程序控制，電路結構不需改變，不但保證了電路的元器件，還提高了設備的性能，靈活性較強，可以進行自我控制。

（3)能夠從根本上提高系統的性能指標。由于受到各方面的影響，電路往往達不到理想的運行狀態，且進行電路優化時比較困難，而數字化控制能夠克服電路的負載等方面的影響，使電路的工作狀態更加趨于理想化狀態，實現功率的提高。

（4)抗干擾能力強，能夠使電路更加趨于穩定和高效性。通過數字控制使電路的狀態變化更加明顯，將外界的干擾降至最低。同時，數字控制能夠控制元器件的老化，簡化電路的原酸，使電路更加精準精確。

（5)便于實現電路的控制，可提高電路的自動化程度和可靠性。數字化發展將為電路的控制提供廣闊的發展空間。

2 軟開關的原理和實現

2.1 軟開關的基本概念

開關變換器的耗損問題嚴重影響著開關的工作效率的提高，而軟開關的出現是解決開關耗損的重要變革。軟開關（Soft-Switching）是相對硬開關(Hard-Switching)而言的。軟開關主要是應用電容與電感諧振的原理，開關在開通前電壓先下降到零，關斷前電流先下降到零，電壓電流按正弦規律變化，大大地降低了在開關過程中電壓、電流的變化，將開關的耗損降到最低。與此同時，由于諧振過程使在開關過程中電壓和電流的變化率受到了限制，所以大幅度地減小了開關的噪聲。這樣的電路被稱為軟開關電路，而這樣的開關過程也被稱為軟開關（Soft-Switching）。

2.2 軟開關的分類

軟開關主要分為兩大類：一類是零電壓開關，一類是零電流開關。再具體的話，可以細分為零電壓開通、零電壓斷開、零電流開通和零電流斷開。

零電壓開通：開關開通前其兩端電壓為零，則開通時不會產生損耗和噪聲。

零電流關斷：開關關斷前其電流為零，則關斷時不會產生損耗和噪聲。

零電壓關斷：與開關并聯的電容能延緩開關關斷后電壓上升的速率，從而降低關斷損耗。

零電流開通：與開關串聯的電感能延緩開關開通后電流上升的速率，降低了開通損耗。

2.3 軟開關變換器的拓撲分析

軟開關在取代硬開關的同時，對于開關功率的效率的提升也是很明顯的，并且使開關電源得到了高頻化發展。目前，按照電路的調制方式，軟開關可分為兩種：PFM軟開關和PWM軟開關。

PFM軟開關不利于電路的優化設計，主要是因為其工作頻率波動頻繁，且電源結構簡單，只適用于負載、輸入電壓相對穩定的場所。屬于PFM控制方式的變換器有以下幾種：

（1）全諧振變換器

全諧振變換器（Resonant Converters）又稱為諧振變換器，是一種負載諧變換器，主要有兩類：一類是SRCs，一類是PRCs。根據負載與諧振電路的連接可分為：SLRCs和PLRCs。全諧振變換器中諧振元件參與能量的變換，一直工作，且對負載的變化十分靈敏，所以采用的是PFM調制方式。

（2）準諧振變換器

準諧振變換器可分為三種電路：ZVS QRC、ZCS QRC、ZVS MRC。準諧振的應用降低了電路開關的損耗和噪聲，但是由于準諧振的電壓峰值較高，所以對于元器件的耐壓要求較高，同時，大量無功功率的交換導致了電路的耗損較大，諧振電路的諧振周期隨著輸入電壓和負載的變化而變化，所以采用了PFM調制方式。

PWM軟開關的設計，大大優化了磁性元器件，工作在恒頻模式下，在軟開關中廣泛應用PWM軟開關，目前，市面上主要采用的PWM控制方式的開關有三種：

（1）零開關PWM電路

零開關PWM電路主要是應用于開關過程的前后，使諧振發生，輔助開關控制諧振。兩開關PWM電路分為ZVS PWM和ZCS PWM。這兩種電路的好處在于降低開關承受的電壓，電流電壓的變化比較緩慢。

（2）零轉換PWM電路

零轉換PWM電路的特點是使電路中的無功功率大大降低，提高電路的效率。零轉換PWM電路的諧振電路并聯主開關，減少了輸入電壓和負載電流對諧振的影響，使開關在任何時刻都能處于軟開關狀態。零轉換PWM電路分為：ZVT PWM和ZCT PWM。

（3）移相全橋軟開關變換器

移相全橋軟開關變換器最大的特點是結構簡單，功率利用率高，輸出功率大，應用廣泛。下文將針對移相全橋變換器做出詳細的闡述。

3 移相全橋軟開關變換器

最早的移相全橋軟開關變換器是FB-ZVS-PWM變換器，隨著電子信息技術的發展，逐漸出現了FB-ZVZCS-PWM變換器和FBZCS-PWM變換器，現在又設計研究了一系列全新的移相全橋變換器，移相全橋變換器的發展十分迅速，前景也十分廣闊。

目前，國內外DC-DC變換器電路中，最常見的電路拓撲是全橋變換器電路拓撲。原因在于全橋軟開關變換器電路具有軟開關的優點，同時，全橋變換器還有兩種的供電方式，一種是電壓源供電，一種是電流源供電，因此，全橋變換電路分為兩類：一類是電壓源型，一類是電流源型。在實際應用中中，全橋變換電路中電壓源型的DC-DC變換器應用更加廣泛。

移相全橋軟開關變換器中，FB-ZVZCS-PWM變換器在實際生活中的應用較為廣泛，它克服了零電壓PWM變換器的缺點，采用了次級耦合電感，使原邊電流能夠復位，同時還設計了抑制副邊整流管的過沖和振蕩拓撲電路。移相PWM控制方式將振諧技術與脈寬調制技術相結合，有效的利用振諧元件，實現在零電壓的情況下，開關頻率恒定，不但減少了開關的耗損，減低了噪聲，還提高了電路的工作效率，同時，移相全橋軟開關變換器還具有結構簡單，控制便捷，開關恒頻，對元器件的損傷小等諸多優點。

4 結語

隨著計算機技術和電子信息技術的發展，各種變換器正在市場上逐漸占領高地，移相全橋軟開關變化器的研究與設計主要是為了研制出高效的升壓隔離DC-DC變換器，為新能源汽車、電力儲能系統和可再生能源開發等方面提供幫助。

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王鑫，姓別：男，籍貫：云南麗江，單位：賀州學院，學歷職稱：大學本科 助理館員，研究方向：智能控制。

Research and Design of Phase-shifted full-bridge soft-switching converter

Wang Xin
（Hezhou University,China,542800)

DC/DC converters are mainly developed in the direction of high efficiency,high power density, high quality output and high reliability.Phase-shifted full-bridge soft-switching converter in this area also appears to be more prominent.In this paper which studied the performance of the converter,and an efficient isolated DC-DC converter can be designed and implemented.

Soft switching;Phase-shifted full-bridge;Converter