高頻移相全橋軟開關(guān)的實(shí)現(xiàn)

姜棋倡

（上海電力大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，上海 200090）

由于能夠?qū)崿F(xiàn)電氣的隔離、功率密度高、易實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)降低功率損耗等優(yōu)點(diǎn)，ZVS-PSFB（移相全橋）變換器被廣泛應(yīng)用在各種大功率開關(guān)電源場(chǎng)合[1]。本文在小信號(hào)模型的基礎(chǔ)上，分析了PSFB 變換器的工作狀態(tài)，推導(dǎo)出擾動(dòng)下的小信號(hào)模型，對(duì)其分析死區(qū)時(shí)間對(duì)軟開關(guān)范圍和有效占空比對(duì)PSFB 變換器的影響，實(shí)現(xiàn)了寬范圍的軟開關(guān)功能。最后搭載了樣機(jī)，驗(yàn)證了理論的正確性。

1 ZVS 移相全橋變換器的工作原理及等效小信號(hào)模型

移相控制ZVS-PWM 移相全橋變換器的電路結(jié)構(gòu)如圖1 所示，開關(guān)管Q1，Q2為超前橋臂開關(guān)管，Q3，Q4滯后橋臂開關(guān)管。D1～D4續(xù)流二極管，C1～C4為開關(guān)管的寄生電容或外接電容。Lr為變壓器的漏感，也是變換器的諧振電感。L，C為濾波電感和濾波電容，R為輸出負(fù)載。Vin和Vout分別為輸入電壓和負(fù)載輸出電壓，IL為濾波電感電流。

圖1 PSFB 變換器電路結(jié)構(gòu)

假設(shè)元器件都是理想的C1＝C2=Chead，C3＝C4=Cback，L<

圖2 移相波形圖

由于后6 個(gè)時(shí)態(tài)與前6 個(gè)模態(tài)對(duì)稱，這里只對(duì)前6個(gè)運(yùn)行模態(tài)分析。

開關(guān)模式1（t0～t1），原邊Q1，Q4正向?qū)ǎ呺娏鱥l正向增加.

開關(guān)模式2（t1～t2），正半周鉗位續(xù)流，開關(guān)管Q1實(shí)現(xiàn)零電壓關(guān)斷。

開關(guān)模式3（t2～t3），鉗位二極管D2導(dǎo)通，開關(guān)管Q2實(shí)現(xiàn)零電壓導(dǎo)通，原邊電流開始下降。

開關(guān)模式4（t3～t4），Q2關(guān)斷后，后橋臂開始諧振過程。

開關(guān)模式5（t4～t5），鉗位二極管D3導(dǎo)通，開關(guān)管Q3實(shí)現(xiàn)零電壓導(dǎo)通。初級(jí)電流不足以向負(fù)載供電，開始過零，并反向增長。

開關(guān)模式6（t5～t6），原邊Q2，Q3反向?qū)ǎ呺娏鞣聪蛟黾印?/p>

PSFB 的小信號(hào)模型與BUCK 變換器類似，通過文獻(xiàn)[3]得到其小信號(hào)等效電路圖如圖3 所示。

圖3 PSFB 小信號(hào)模型等效電路

由于變壓器漏感Lr的存在，會(huì)使得副邊電壓出現(xiàn)占空比丟失的問題，使得移相調(diào)壓為非線性系統(tǒng)。設(shè)有效占空比為Deff，移相占空比為D，丟失占空比為△D。

2 軟開關(guān)對(duì)有效占空比的影響

要實(shí)現(xiàn)PSFB 的軟開關(guān)，各開關(guān)管需要在驅(qū)動(dòng)信號(hào)到之前導(dǎo)通，通過寄生電容或外接電容C1～C4將開關(guān)管Q1～Q4的電壓降為零。當(dāng)超前臂相較于滯后臂更容易實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，而滯后臂實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)需要變壓器漏感Lr儲(chǔ)存的電量大于電容C1～C4的電量，需滿足公式（2）：

Io1，Io2為超前臂和滯后臂關(guān)斷時(shí)的電流值，UC為電容電壓。即：

由開關(guān)Q2關(guān)斷為例，開關(guān)模式4 下，后橋臂的諧振過程。此時(shí)原邊電流Io和橋臂中點(diǎn)VAB兩端的電壓為：

圖4 橋臂電壓的導(dǎo)通波形

圖中各時(shí)刻與圖2 一致，t3為Q4關(guān)斷時(shí)刻，t'3為D3的導(dǎo)通時(shí)刻，t4為D3的關(guān)斷時(shí)刻，t5為諧振完成時(shí)刻，ton為Q3的導(dǎo)通時(shí)刻，其導(dǎo)通時(shí)間由死區(qū)Tdead決定。由圖可以看出不同的Tdead會(huì)對(duì)輸出電壓VAB產(chǎn)生較大的影響。通過文獻(xiàn)[4]可以得到有t3

PSFB 的每個(gè)開關(guān)管同時(shí)滿足式（2）、（4）和（5）時(shí)，方可實(shí)現(xiàn)在死區(qū)時(shí)間內(nèi)，完成諧振過程，實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)。

3 實(shí)驗(yàn)仿真及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)方案的參數(shù)如下：Vin=50 V，Vout=15 V，Lr=1.1e-5H，Chead=Cback=2.2e-8F，L=1e-3H，C=1.32e-3F，K=2，R=20 Ω。

在開關(guān)頻率f=20 kHz 下，PSFB 移相全橋滯后臂的軟開關(guān)的波形如圖5 所示，在開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)脈沖上升沿到來之前，開關(guān)管上的電壓已經(jīng)降為零，這表明在死區(qū)諧振期間內(nèi)電流已完成對(duì)管子并聯(lián)電容的充電，開關(guān)管在此運(yùn)行狀況下實(shí)現(xiàn)零電壓開通，而超前臂諧振時(shí)輸出電流一定大于滯后臂，在此情況下，超前臂同樣可以實(shí)現(xiàn)ZVS。圖6 為不同開關(guān)頻率下的軟開關(guān)狀態(tài)，由圖可以看出，在高頻狀態(tài)下PSFB 變換器依然可以實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)。

圖5 20 kHz 下的滯后臂軟開關(guān)圖

圖6 不同開關(guān)頻率下的滯后臂軟開關(guān)圖

4 結(jié)論

通過對(duì)移相全橋的工作狀態(tài)進(jìn)行分析，得到不同狀態(tài)下的開關(guān)狀態(tài)，利用變壓器漏感與開關(guān)管寄生電容產(chǎn)生的諧振，使PSFB 在寬范圍實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)。