1. 引言

移相全橋作為大功率DC/DC變換器的首選在很多場(chǎng)合得到應(yīng)用，比如通訊系統(tǒng)中的應(yīng)用將高壓400VDC轉(zhuǎn)換為12V。移相全橋之所以如此廣泛的應(yīng)用，是因?yàn)槠淅米儔浩髀└信c原邊開(kāi)關(guān)管的寄生電容發(fā)生諧振實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管的軟開(kāi)關(guān)，可大大提高變換器的工作效率。

但傳統(tǒng)的移相全橋變換器又有著各種各樣的缺陷，比如滯后臂不易實(shí)現(xiàn)ZVS，占空比丟失等等。本文針對(duì)移相全橋變換器的工作原理進(jìn)行了研究與總結(jié)，且重點(diǎn)闡述了滯后橋臂的ZVS實(shí)現(xiàn)條件和占空比丟失問(wèn)題。

2. 移相全橋變換器工作原理分析

圖1為移相全橋變換器的電路示意圖，由4個(gè)主功率器件Q1~Q4以及反并聯(lián)二極管和寄生電容構(gòu)成全橋橋臂，通過(guò)變壓器(含有漏電感以及外掛諧振電感L r )和整流電路連接構(gòu)成全橋變換器。兩個(gè)橋臂的上下開(kāi)關(guān)管180°互補(bǔ)導(dǎo)通，橋臂之間通過(guò)調(diào)節(jié)移相角來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓，該移相角的調(diào)節(jié)也是實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)的基礎(chǔ)。

(a)主電路

(b)主要波形

圖1 移相全橋主電路及主要波形

2.1 傳統(tǒng)移相全橋變換器的工作過(guò)程分析

上圖是移相全橋拓?fù)鋱D，各個(gè)元件的意義如下：

Vin：輸入的直流電源

Q 1 -Q 4 ：4個(gè)主開(kāi)關(guān)管，一般是MOSFET

Q 1 ，Q3稱為超前臂開(kāi)關(guān)管，Q 2 ，Q4稱為滯后臂開(kāi)關(guān)管

C 1 -C 4 ：4個(gè)開(kāi)關(guān)管的寄生電容或外加諧振電容

D 1 -D 4 ：4個(gè)開(kāi)關(guān)管的寄生二極管或外加續(xù)流二極管

D R1 ， D R2 ：電源次級(jí)高頻整流二極管

T R ：移相全橋電源變壓器

L r ：變壓器原邊漏感或原邊漏感與外加電感之和

L f ：移相全橋電源次級(jí)輸出續(xù)流電感

C f ：移相全橋電源次級(jí)輸出電容

因?yàn)槭亲隼碚摲治?，所以要將一些器件的特性理想化，具體如下：

1、假設(shè)所有的開(kāi)關(guān)管、二極管為理想元件。

2、所有的電感，電容都為理想元件，不存在寄生參數(shù)，變壓器也為理想變壓器，諧振電感是外加的。

3、超前橋臂與滯后的諧振電容都相等，即C 1 =C 3 =C lead ，C 2 =C 4 =C lag 。

4、次級(jí)濾波電感通過(guò)匝比折算到初級(jí)的電感量LS遠(yuǎn)大于諧振電感L r，即L S =L f *K ^2^ >>Lr 。

PSFB一個(gè)周期可以分為12中工作模態(tài)，其中正負(fù)半周期是對(duì)應(yīng)的關(guān)系，只不過(guò)改變的是電流在橋臂上的流向，下面我們首先來(lái)分析這12個(gè)工作模態(tài)的情況。

1. t0時(shí)刻，如圖2a

在t0時(shí)刻之前，Q1與Q4同時(shí)導(dǎo)通，原邊電流的流向是Q 1 -L p -L r -Q 4 ，最后回到電源負(fù)。副邊電流回路是：副邊上邊的繞組正端，整流管D R1 ，輸出濾波電感L f 、輸出濾波電容Cf和負(fù)載，回到上面副邊繞組的負(fù)端。

2. t 0~~t1~時(shí)刻，如圖2b

此時(shí)超前橋臂上管Q1在t0時(shí)刻關(guān)斷，但由于電感兩端電流不能突變的特性，變壓器原邊的電流仍然需要維持原來(lái)的方向，故電流被轉(zhuǎn)移到C1與C3中，C1被充電，而C3開(kāi)始放電。由于C1和C 3 ，Q1零電壓關(guān)斷。濾波電感Lf 與諧振電感Lr串聯(lián)，且Lf很大，故基本可以認(rèn)為此時(shí)的原邊類似一個(gè)恒流源，此時(shí)的ip基本不變，或下降很小。

在t1時(shí)刻，C1上的電壓很快上升到V in ，C3上的電壓很快變成0V，D2開(kāi)始導(dǎo)通。

該模態(tài)的時(shí)間為

3. t 1~~t2~時(shí)刻，如圖2c

此時(shí)二極管D3已經(jīng)完全導(dǎo)通續(xù)流，將超前臂下管Q3兩端的電壓鉗位到0V，此時(shí)將Q3打開(kāi)，就實(shí)現(xiàn)了超前臂下管Q3的ZVS開(kāi)通；但此時(shí)的原邊電流仍然是從D3走，而不是Q 3 。

此時(shí)原邊的電流仍然較大，等于副邊電感Lf的電流折算到原邊的即

從超前臂Q1關(guān)斷到Q3打開(kāi)這段時(shí)間t d ，稱為超前臂死區(qū)時(shí)間，為保證滿足Q3的ZVS開(kāi)通條件，就必須讓C3放電到0V，即

圖2a 圖2b

圖2c 圖2d

圖2e 圖2f

圖2g

4. t 2~~t3~時(shí)刻，如圖2d

在t2時(shí)刻將滯后臂下管Q4關(guān)斷，在Q4關(guān)斷前，C4兩端的電壓為0，所以Q4是零電壓關(guān)斷。

由于Q4的關(guān)斷，原邊電流ip突然失去通路，但由電感的原理我們知道，原邊電流不允許突變，需要維持原來(lái)的方向，以一定的速率減少。所以，原邊電流ip會(huì)對(duì)C4充電，使C4兩端的電壓慢慢往上升，同時(shí)抽走C2兩端的電荷。此時(shí)，vAB =-vc4 ，vAB的極性自0變?yōu)樨?fù)，變壓器副邊繞組電勢(shì)變?yōu)橄抡县?fù)，整流二極管DR2導(dǎo)通，副邊的下繞組開(kāi)始流過(guò)電流，整流二極管DR1和DR2同時(shí)導(dǎo)通，使得變壓器副邊繞組電壓為0，原邊繞組也為0，vAB加在諧振電感Lr上。因此，這段時(shí)間里是Lr 和C 2 、C4諧振工作，ip 和電容C 2 、C4的電壓分別為

其中，I 2 ：t~2 ~時(shí)刻，原邊電流下降之后的電流值

Z 1 ：滯后臂的諧振阻抗,

ω 1 ：滯后臂的諧振角頻率，

在t3時(shí)刻，當(dāng)C4的電壓升到V in ，D2自然導(dǎo)通，結(jié)束這一模態(tài)。持續(xù)時(shí)間為

5. t 3~~t4~時(shí)刻，如圖2e

當(dāng)C4充電到Vin之后，諧振結(jié)束，就不再有電流流過(guò)C 2 ，C 4 ，轉(zhuǎn)而D2自然導(dǎo)通，原邊電流通過(guò)D 3 -L r -D2向電網(wǎng)饋能，由于副邊兩個(gè)整流二極管同時(shí)導(dǎo)通，變壓器原邊繞組電壓仍為0，向電網(wǎng)回饋的能量來(lái)源于儲(chǔ)存在Lr中的能量，此時(shí)原邊電流迅速減少，

在t4時(shí)刻ip減少到0，二極管D2和D3自然關(guān)斷，Q2和Q3中流過(guò)電流。開(kāi)關(guān)模態(tài)4，持續(xù)時(shí)間為

此模態(tài)下，Q2兩端的電壓降為0V，只要在這個(gè)時(shí)間段將Q2開(kāi)啟，那么Q2就達(dá)到了零電壓開(kāi)啟的效果。Q2和Q4驅(qū)動(dòng)之間的死區(qū)時(shí)間即

6. t 4~~t5~時(shí)刻，如圖2f

在t4時(shí)刻之前，Q2已經(jīng)導(dǎo)通，ip由0向負(fù)向增加，此時(shí)Q2和Q3為ip提供通路。由于ip仍不足以提供負(fù)載電流，負(fù)載電流仍由兩個(gè)整流二極管提供回路，因此原邊繞組電壓仍為0，此時(shí)的負(fù)載電流還是由濾波電感與輸出電容提供；同時(shí)，由于原邊的Q 2 ，Q3已經(jīng)導(dǎo)通，原邊電流ip流過(guò)Q 2 -L r -Q 3 ，又因?yàn)長(zhǎng)r很小，所以原邊電流ip就會(huì)反向急劇增大。

在t5時(shí)刻，ip達(dá)到最大，等于副邊的電感電流折算到初級(jí)的電流，在這個(gè)開(kāi)關(guān)模態(tài)，原邊電流是不傳遞能量的，但副邊卻存在著一個(gè)劇烈的換流過(guò)程，通過(guò)副邊二極管DR1的電流迅速減少，DR2的電流迅速增大，在t5時(shí)刻，通過(guò)DR1的電流減少到0，通過(guò)DR2的電流等于濾波電感電流I Lf (t 5 )。開(kāi)關(guān)模態(tài)5持續(xù)的時(shí)間為

7. t 5~~t6~時(shí)刻，如圖2g

在這段時(shí)間里，電源給負(fù)載供電，原邊電流為

因?yàn)樵呏C振電感遠(yuǎn)小于輸出濾波電感折算到原邊的電感值，式(16)可簡(jiǎn)化為下式，

在t6時(shí)刻，Q3關(guān)斷，變換器開(kāi)始另外半個(gè)周期的工作，與工作情況類似于上述半個(gè)周期。

2.2 超前臂與滯后臂實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)的差異

由2.1節(jié)分析可知，要實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)器件的ZVS開(kāi)通，需要有足夠的能量抽走將要開(kāi)通的開(kāi)關(guān)器件的結(jié)電容電荷，同時(shí)給同一個(gè)橋臂另一個(gè)關(guān)斷的開(kāi)關(guān)器件的結(jié)電容充電，也就是必須滿足下式：

超前橋臂容易實(shí)現(xiàn)ZVS，因?yàn)樵诔皹虮坶_(kāi)關(guān)過(guò)程中，變壓器處于能量傳遞過(guò)程中，輸出濾波電感Lf與諧振電感Lr串聯(lián)，而濾波電感Lf一般情況都遠(yuǎn)大于L r ，所以超前橋臂開(kāi)關(guān)過(guò)程中，電感存儲(chǔ)的能量很多，很容易滿足式(18)。

滯后臂要實(shí)現(xiàn)ZVS則比較困難，這是因?yàn)樵跍髽虮坶_(kāi)關(guān)過(guò)程中，變壓器處于續(xù)流過(guò)程，諧振時(shí)僅由諧振電感Lr釋放能量，使諧振電容電壓下降到零，從而實(shí)現(xiàn)ZVS，此時(shí)實(shí)現(xiàn)ZVS條件為：諧振電感能量必須大于所有參與諧振的電容能量，如果不滿足式(19)，則無(wú)法實(shí)現(xiàn)ZVS。

從式(19)可以看出，要滿足它，要么增加諧振電感L r ，要么增加勵(lì)磁電流I 2 。

增加了勵(lì)磁電流，那么原邊電流相當(dāng)于在負(fù)載電流的基礎(chǔ)上多了一份勵(lì)磁電流，使得原邊開(kāi)關(guān)器件的通態(tài)損耗增加，變壓器損耗也增大，因此在勵(lì)磁電流的選擇上，要充分考慮器件和變壓器損耗。

從效率的角度考慮，在一定的負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)滯后臂的ZVS根據(jù)式(19)計(jì)算出所需最小諧振電感。

2.3 副邊占空比的丟失

副邊占空比丟失是ZVS PWM全橋變換器的一個(gè)特有現(xiàn)象，即副邊占空比Dsec小于原邊占空比D p 。

產(chǎn)生副邊占空比丟失的原因是：由于變換器存在漏電感，使原邊電流在[t 2 , t 5 ]和[t 8 , t 11 ]，不足以提供負(fù)載電流，副邊所有整流二極管全部導(dǎo)通，輸出濾波電感續(xù)流，輸出整流電壓vrect為0。這樣副邊就丟失了[t 2 , t 5 ]和[t 8 , t 11 ]這部分電壓方波。丟失的這部分占空比Dloss為，

由于t23時(shí)間很短，可以忽略，而

假設(shè)輸出濾波電感很大，其電流脈動(dòng)較小，則

那么有

由式(22)可知，①Lr越大，Dloss越大；②負(fù)載越大，Dloss越大；③Vin越低，Dloss越大。為了減小D loss ，得到所要求的輸出電壓，可以采用飽和電感作為諧振電感，既可以最大程度的實(shí)現(xiàn)滯后臂的ZVS，也可以最大程度的減小副邊占空比的丟失。

3. 總結(jié)

本文詳細(xì)分析了移相全橋的零電壓工作原理，闡述了一個(gè)工作周期的具體換流過(guò)程以及軟開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)條件，針對(duì)滯后橋臂的ZVS軟開(kāi)關(guān)較超前橋臂更難實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了詳細(xì)的分析并給出了相應(yīng)的措施以保證 滯后橋臂的ZVS軟開(kāi)關(guān)的實(shí)現(xiàn)，此外還分析了副邊占空比因換流導(dǎo)致丟失的現(xiàn)象，給出了相關(guān)措施以減輕副邊占空比的丟失。