一種開關變壓器電路的改進方法

陳國藝　謝志鋒

摘要：提出了一種新的零電壓零電流移相全橋PWM控制變換器。在這個拓撲結構基礎上，詳細分析了該變換器的工作時序和工作狀態。與以往的全橋開關變壓器相比，所提出的變壓器具有電路結構簡單、整機效率高以及電流環自適應調整等優點，這使得它特別適合高壓大功率的應用場合。

關鍵詞：全橋變壓器；零電壓開關；零電流開關；ZVZCS

1 引言

在中小功率的場合，功率器件一般選用MOSFET，這是因為MOSFET的開關速度快，可以提高開關頻率，采用ZVS方式，就可將開關損耗減小到較為理想的程度。而在高壓大功率的場合，IGBT更為合適。但IGBT的最大的缺點是具有較大的開關損耗，要想在ZVS方式下減少關斷損耗，則必須加大IGBT的并聯電容。然而由于輕載時ZVS很難實現，因此ZVS方案對于IGBT來說并不理想。

本文提出了一種基于全橋變換器的ZVZCS控制方法。采用IGBT作為功率開關、有限雙極性控制方式，網絡拓撲如圖1所示。Q1～Q4四個開關管組成一個全橋電路。ZVZCS全橋PWM變換器實現了一個橋臂的零電壓開關和另一個橋臂的零電流開關。其中，Q1、Q2組成超前橋臂，兩端分別并聯有吸收電容C1、C2，且C1=C2=Cr；其中，Cb為隔直電容，用來防止偏磁和實現ZCS。L1為外加飽和電感和變壓器TR的漏感之和，提高了電源的轉換效率及其電磁兼容性能。

2 全橋變換器的工作原理

四個開關管的工作過程和各部分響應波形中，VGE是驅動信號，IP是變壓器T的一次電流，Ucb是電容Cb兩端電壓。

電路工作過程分析如下：

1）[0，t0]時刻：

Q1、Q4同時導通，變壓器原邊電流Ip開始上升，流向是從Q1到L1、變壓器、Cb、Q4。功率從原邊流向副邊，同時隔直電容Cb上的電壓開始上升。為了簡化分析，暫不考慮變壓器的勵磁電流和副邊電流Io的波動，因此變壓器原邊電流Ip（t）為：Ip（t）=Ipo=Io/n（1）

當然，實際電路中由于副邊整流二極管的反向恢復過程，Ip（t）上升沿有一個尖峰，見圖2。Cb兩端電壓Ucb（t）為：Ucb（t）= t*Ipo /Cb=Ucbp （2）

該過程所用時間為：t0=2Ucbp*Cb/ Ipo （3）

2）[t0，t1]時刻：

Q1關斷，Q1的關斷是ZVS關斷，原邊電流Ip通過C1、C2繼續按原方向流動。Q1關斷后，原邊電流通過C1、C2進行續流。該過程所用時間為：t01=2Vin*Cr/ Ipo （4）

3）[t1，t2]時刻：

在t2時刻環流衰減到零，原邊電流變化過程為：Ip（t）= Ipo- t*Ucbp /L1 （5）

該狀態持續時間為：t12= L1*Ipo /Ucbp （6）

4）[t2，t3]時刻：

至時刻t2，原邊電流為零，并試圖反向增加。由于隔直電容Cb很大，其上的電壓很小，因此，C2在充滿電后的電壓也很小，電流很快降為零。振蕩周期為：T=2π（7）

5）[t3，t4]時刻：

Q4關斷，顯然，由于此時Q4上電壓電流均為零，因此Q4是ZVZCS關斷。Q3是硬開關導通，而且Q3導通時其兩端電壓大小約為直流輸入電壓大小。而在普通硬開關工作方式下Q3導通時其端電壓是直流輸入電壓的一半。

6）[t4，t5]時刻：

Q2、Q3導通。由于Q3集電極電壓很小，Q3可近似看成ZVS導通。此時Q2輸出電容上的電壓為Uin，在Q2開通時該能量全部通過Q2放掉，因此在選擇Q2、Q4時應選輸出電容小的器件。在導通瞬間：Ip（t）=（Uin+Ucbp）*t/L1 （8）

其后，副邊整流管DR1截止，副邊電流完全通過DR2，由第二個副邊繞組提供。

至此，完成半個開關周期的分析。另一半周期的控制方法和工作過程類似。

3 實現ZCS和ZVS的條件

原邊電流Ip從負載電流減到零的時間為：

t12= Ipo *L1/Ucbp =2Cb *L1/t0=4Cb *L1/D *TS （9）

D為占空比，TS為開關周期?？梢婋娏骰亓愕臅r間t12與輸入電壓和負載電流無關，僅與電路的參數和占空比有關。即在很大負載范圍內均可實現ZCS橋臂Q2、Q4的零電流關斷。通過合理設計電感L1，理論上也可實現Q2、Q4的零電流開通。

ZVS實現的條件比移相控制法更為寬松，從（6）式可以看到，僅在極輕載條件下才實現不了ZVS?？梢愿鶕嶋H適當將Cr選大一些，以降低關斷損耗。

Cb太小則Ucbp過大，使管子應力變大；Cb太大不易實現ZCS。應以其電壓峰值小于10%Uin為宜。

4 結語

本文介紹了一種新型零電壓零電流移相全橋PWN控制變換器。在輕載和重載的情況下，分別用漏感和勵磁電感儲存能量，實現了超前橋臂的ZVS和滯后橋臂的ZCS，從而減小了開關損耗.提高了電路工作效率。所提出的變壓器具有電路結構簡單、整機效率高以及電流環自適應調整等優點，這使得它特別適合高壓大功率的應用場合。

參考文獻：

[1] 易衛東，張建峽，謝靜.一種新型全橋DC/DC軟開關電源的仿真研究[J].現代機械，2016，2：23-26.

[2] 劉福鑫.高壓直流電源中DC/DC變換器的研究[D].南京航空航天大學碩士學位論文，2014.

[3] 李傳琦.電力電子技術計算機仿真實驗[M].北京：電子工業出版社，2015.