四種典型的改進型ZVS全橋變換器的研究

雷靜靜 ，朱允龍

（貴陽職業技術學院，貴州貴陽，550081）

四種典型的改進型ZVS全橋變換器的研究

雷靜靜 ，朱允龍

（貴陽職業技術學院，貴州貴陽，550081）

移相全橋變換器具有開關器件電壓應力小、功率變壓器利用率高等特點，目前常被應用在中大功率的開關電源中。本文主要針對基本移相控制ZVS全橋變換器拓撲結構優缺點，介紹四種典型的改進方案，并對這四種典型電路的拓撲結構的優缺點進行了對比。

移相全橋；ZVS；拓撲結構

0 引言

隨著現代通訊技術的飛速發展，開關電源已廣泛應用于電力、通信、交通等各個領域，并取得了顯著的經濟效益。對開關電源的重量、體積、可靠性和效率等提出了更高的要求。而應用于通訊電源的移相全橋DC/DC變換器作為中大功率開關電源的首選拓撲，與基本的硬開關主電路拓撲相比，移相全橋變換器以其自身的諸多優點在功率變換的眾多場合倍受歡迎。

移相全橋變換器具有開關器件電壓應力小、功率變壓器利用率高等特點，目前常被應用在中大功率的開關電源中。軟開關技術的發展，解決了硬開關全橋變換器所帶來的負面影響。本文主要針對基本移相控制ZVS全橋變換器拓撲結構優缺點，介紹四種典型的改進方案。

1 基本移相控制ZVS全橋變換器的特點

1.1 移相控制ZVS全橋變換器的優勢

（1）實現開關管的ZVS，在很大程度上降低了開關損耗，且提高了開關頻率，使變壓器、濾波電感和濾波電容的體積減小了，從整體上減小了開關電源模塊的體積。

（2）開關頻率是恒定的，有利于優化設計。

（3）元器件的電壓應力和電流應力均比較小。

（4）相比傳統PWM硬開關變換器，只增加了一個諧振電感，電路的成本和復雜程度沒有變化。

1.2 移相控制ZVS全橋變換器的劣勢

移相控制ZVS PWM全橋變換器也存在一些缺點。

在筆者多年的教學經歷中發現，很多學生平時在詞匯積累方面下的功夫可謂不少，但在考試或閱讀的時候，他們的詞匯量仍表現得不是很充足，特別是能輸出的詞匯量更是少之又少，甚至有的學生詞匯量仍滯留在高中階段的水平線上。究其原因，主要在于：

（1）滯后橋臂實現ZVS較困難。由于為滯后橋臂實現ZVS提供能量的僅是諧振電感中的能量，實現ZVS的負載范圍比較窄。要想使滯后橋臂能在較寬的負載范圍內實現ZVS，那么能改變的只有諧振電感和滯后橋臂并聯電容的值。

（2）原邊的諧振電感的存在是導致占空比丟失的主要原因。原邊諧振電感的值越大，占空比丟失越厲害；為了得到一定的輸出電壓，變壓器的原副邊匝比必須減小，但匝比減小會導致原邊電流的增加和副邊整流二極管電壓應力的增加。

（3）輸出整流二極管換流時，變壓器漏感（或附加的諧振電感）和二極管的結電容之間的振蕩會使副邊有尖峰電壓的存在，二極管需承受很高的尖峰電壓，需要吸收電路。

由上述的分析我們知道，基本移相控制ZVS全橋變換器的缺點影響了它的使用，針對基本移相全橋變換器的缺點，眾多學者提出了相應的改善方案。針對滯后橋臂實現ZVS比較困難和占空比丟失的問題，提出了使用飽和電感代替普通電感的方案和使用輔助網絡方案；針對輸出整流二極管需承受很高的尖峰電壓的問題，提出了在變壓器原副邊加箝位電路的方案。這里將進行簡單的介紹。

2 幾種典型的改進型移相ZVS全橋變換器

2.1 原邊使用飽和電感

飽和電感法是在變壓器的原邊將飽和電感替代諧振電感與主變壓器串聯，如圖2.12所示。換流初期，原邊電流很大，飽和電感鐵芯處于飽和狀態，可以看作短路，電流瞬間降低，當降到臨界值時，鐵芯處于不飽和狀態，這時電感會變得很大，原邊電流線性下降并換流，當原邊電流反向增大到固定值時，鐵芯又處于飽和狀態，電流又瞬間變大。與原來電流緩慢換向相比，換向時間減少了，占空比的丟失也減小了。

該變換器的優點是可在較寬的負載范圍內實現開關管的ZVS，能減小占空比丟失，同時副邊輸出整流二極管的電壓尖峰也得到一定的抑制。但是飽和電感發熱問題比較嚴重，對變換器的安全可靠工作和整機效率的提高有很大的影響。

圖1 原邊使用飽和電感的變換器電路圖

2.2 增加輔助LC諧振網絡

圖2 滯后臂上加LC諧振支路的全橋變換器電路圖

2.3 增加有源輔助網絡

圖3 滯后臂并聯有源輔助電路的全橋變換器電路圖

這種方法是在基本全橋變換器的基礎上增加了由一個輔助電感和兩個輔助開關管組成的輔助網絡，如圖3所示。當滯后橋臂處于換流狀態時，輔助電感中的電流與原邊電流一起流進或者流出滯后橋臂，幫助滯后管實現ZVS。

該拓撲的優點是滯后橋臂可以在較寬范圍內實現ZVS，占空比丟失小；不足之處是增加了兩個輔助開關管及相應的驅動電路，拓撲的復雜性增加了，且兩個開關管不能實現零電壓關斷，存在關斷損耗。

2.4 增加箝位二極管

這種拓撲在基本移相控制ZVS PWM DC/DC全橋變換器的基礎上，增加由一個諧振電感和兩只箝位二極管組成的輔助電路，這個輔助電路即可與滯后橋臂相連，又可與超前橋臂相連，我們對這兩種拓撲分別進行介紹。

2.4.1 輔助電路與滯后橋臂相連

該拓撲中輔助電路與變換器的滯后橋臂相連，電路結構如圖4所示。此拓撲的優點是：開關管的軟開關特性得以保持，同時滯后橋臂實現ZVS的范圍拓寬了并有效的抑制了副邊的寄生振蕩。其缺點是箝位二極管在一個周期內導通兩次，但只有一次對輸出整流二極管上的電壓尖峰起到抑制作用，另外的一次導通未起到箝位作用，由于兩次導通增加了箝位二極管的電流有效值，同時帶來了較大的開關損耗，不利于電源模塊整體性能的提高。

圖4 輔助電路與變換器的滯后橋臂相連的電路圖

2.4.2 輔助電路與超前橋臂相連

該拓撲中輔助電路與變換器的超前橋臂相連，電路拓撲結構如圖5所示。與圖4的電路拓撲結構相比圖5所示電路是將輔助電路的位置做了改變，使箝位二極管只在起到箝位作用時才導通，減小了原邊環流，也能有效的去除副邊整流二極管上的電壓尖峰。

圖5 輔助電路與變換器的超前橋臂相連的電路圖

3 結論

以上四種改進策略，可以使變換器的滯后橋臂在較寬的負載范圍內實現ZVS，且將副邊占空比丟失降到最小。但是它們也存在各自的優點和缺點，第一種改進方法飽和電感發熱問題比較嚴重，影響整機效率。第二種改進方法增加了滯后橋臂的導通損耗。第三種方法增加了拓撲的成本和復雜程度。第四種改進方法所用元件較少，結構簡單，且實用性比較強。經過分析和比較可知第四種改進方法的電路的拓撲結構的優勢最好。

[1]王興貴,鄒應煒,劉金龍.全橋型DC/DC開關電源的建模與控制[J].電力電子術,2007(07).

[2]皮之軍.移相全ZVS變換器及其數字控制技術研究[D].武漢:華中科技大學碩士論文.2006(4).

Research on four typical improved ZVS full bridge converters

Lei Jingjing, Zhu Yunlong
（Guiyang Career Technical College,Guiyang Guizhou,550081）

Phase shifted full bridge converter has the characteristics of small voltage stress and high utilization ratio of power transformer, so it is often used in switching power supply of medium and high power. This paper mainly focuses on the advantages and disadvantages of the basic phase shifted control ZVS full bridge converter topology, introduces four typical improvement schemes, and compares the advantages and disadvantages of the four typical circuit topologies.

Phase shifted full bridge; ZVS; topolog