第44卷第9期2010年9月
电力电子技术
PowerElectronics
Vol.44，No.9September2010
一种新型全桥软开关变换器的研究
姚建红1，张艳红1，王法睿1，付宝利2
（1.东北石油大学，黑龙江大庆
163318；2.大庆油田有限责任公司第一采油厂，黑龙江大庆163000）
摘要：为增加全桥软开关电源的负载变化范围，设计了一种新型的全桥移相脉宽调制（PWM）零电压零电流（ZVZCS）软开关变换器。在此电路中，超前桥臂通过增加一个由两个电容及一个电感组成的辅助电路，使超前桥臂在轻载时仍能实现超前桥臂的零电压开关变换；滞后桥臂提出一种改进的电路拓扑结构，该拓扑使负载电流在满载时仍能实现其滞后桥臂的零电流开关变换，并可有效降低整流二极管的电压应力。研制了一台输出48V/10A的全桥移相
ZVZCS软开关电源样机，通过试验验证了理论分析的正确性。
关键词：直流变换器；全桥移相；零电压零电流开关中图分类号：TM46
文献标识码：A
文章编号：1000-100X（2010）09-0086-02
ResearchonaNovelFull鄄bridgeSoft鄄switchingConverter
YAOJian鄄hong1，ZHANGYan鄄hong1，WANGFa鄄rui1，FUBao鄄li2
（1.NortheastPetroleumUniversity，Daqing163318，China；
2.The1thProductionFactory，DaqingOilfieldCo.，Ltd.，Daqing163000，China）
Abstract：Inordertoincreasetherangeofloadchange，anovelfullbridgephase鄄shiftpulsewidthmodulation（PWM）ze鄄rovoltagezerocurrentswitching（ZVZCS）softconverterisdesigned.Inthiscircuit，anassistantcircuitwhichismadeupoftwocapacitorsandaninductanceisaddedinleading鄄lag，itcanachievezerovoltageswitchingunderlightload.Anim鄄provedcircuittopologyisaddedonlagging鄄leg，itcanachievezerocurrentswitchingunderheavyload.Thus，itcandepressthevoltagestressofdiode.Afull鄄bridgephase鄄shiftPWMZVZCSsoftconvertermodelmachinewithoutputof48V/10Aisprepared，thetheoreticalanalysisisprovedcorrectaccordingexperiment.
Keywords：DC/DCconverter；full鄄bridgephase鄄shift；zerovoltagezerocurrentswitching
FoundationProject：SupportedbyScientificResearchFundofHeilongjiangProvincialEducationDepartment（No.1154G54）
1引言2改进全桥软开关变换器主电路拓扑结构
全桥移相脉宽调制（PWM）零电压零电流（ZV鄄
ZCS）开关电源具有拓扑结构简单，输出功率大，功
率变压器利用率高，易于实现软开关，功率开关器件电压电流应力小等优点，用软开关技术实现DC/DC变换器其效率可达90%以上，因此在中大功率应用场合受到了普遍重视[1-2]。目前滞后桥臂实现
图1示出改进的全桥移相PWMZVZCS软开关变换器的电路拓扑结构。
ZCS的常见方式主要有[3]：①在初级串联阻断电容
和饱和电感的方法，但是饱和电感会产生较大的损耗，且占空比范围受到许多因素的；②在输出整流侧添加有源箝位电路的思想，但增加箝位开关管会使成本提高，控制方式变复杂，并且箝位开关管并非ZCS关断；③在变压器次级添加由二极管和电容组成的能量恢复缓冲电路的方法，能够实现较大负载范围的软开关，但电压和电流应力较大[4]。根据以上分析，提出一种新型全桥移相PWMZVZCS软开关变换器，可有效降低变压器次级整流二极管的电压应力，并具有辅助电路结构简单，电路损耗小，功率因数高等特点。
基金项目：黑龙江普通高校青年学术骨干支持计划（1154G54）定稿日期：2010-02-24
作者简介：姚建红（1971-），女，河南柘城人，博士，副教授，研究方向为电力电子与电力传动。
传统的全桥移相PWMZVZCS软开关变换器的超前桥臂在额定负载下能很好地实现超前桥臂的零电压开关变换，但在轻载时却很难实现[5]。针对此问题，该拓扑在超前桥臂与输入直流电压源之间加一由Ca1，Ca2及La组成的辅助电路。全桥移相ZVZCS变换器滞后桥臂的ZCS都是利用辅助电路在变压器初级续流阶段将其电流复位来实现的，即要实现滞后桥臂的ZCS，应在VS2或VS4关断前，使漏感Lik中的电流复位到零。设计中，在变压器次级采用两个箝位电容使滞后桥臂在满载情况下很好地实现零电流变换。箝位电容由两个大电容组成，可有效抑制变压器漏感与谐振电容谐振时的电压过高，而且箝位电容对负载供电时是并联放电，减小了变压器次级整流二极管的电压应力。
一种新型全桥软开关变换器的研究
3
变换器的工作原理
3.1
超前桥臂零电压变换的工作原理
在VS1关断后，VS4仍然处于导通状态，并联在VS1上的C1被充电，并联在VS3上的C3被放电，之后，C3上的电压uC3开始下降。这样，辅助电路中Ca2中的电荷被抽走，迫使Ca1开始被充电、Ca2放电，充、放电电流经过La和Lik，这样，此电流就对变压器初级电流ip起到了加强的作用。通过合理地设计辅助电路中的参数，可使变换器在轻载时仍能使超前桥臂完全工作在零电流变换的软开关状态。
3.2滞后桥臂的零电流工作原理
VS1与VS4同时导通时，输入电压Uin加在Lik
上，ip线性增大，ip（t）=（Uin-nUo）（t-t0）/（Lik+n2Lf）。当ip等于输出电流Io折算到初级滤波电感上的电流值，即ip（t1）=Io/n时，箝位电容Cc1和Cc2被串联充电。由于Cc1和Cc2的值很大，所以其两端电压变化很小。
此阶段为传能阶段，能量经过变压器传送给负载。关断VS1，由于VS1反并联了一个二极管，C1的电压不能突变，所以VS1为零电压关断。C1充电，C3放电，变压器初级电压线性下降，变压器次级电压以同样的速率下降。
当变压器的次级电压下降到与Cc1两端电压uCc1相等时，uCc1和uCc2将变压器次级电压箝位，使其下降速度慢于初级电压下降速度，Cc1和Cc2开始向负载供电，产生的电压差作用于Lik，使ip开始下降。
C1继续充电，C3继续放电。
当uC1=Uin时，C1充电结束，C3放电完毕，VS3并联的反向二极管导通，加在VS3之间的电压为零，这样就为VS3的ZVS提供了条件。箝位电容电压折算到变压器初级的电压差全部作用在Lik上，使ip迅速
下降，负载电流仍主要由箝位电容提供。
当ip复位到零时，变压器初级无电流流过，但VS4仍处于导通状态，为VS4实现ZCS提供条件。输出滤波电感Lf开始续流，VS4零电流关断。VS2开通，由于Lik的存在，ip不能突然上升。故VS2为ZCS。VS2导通后，ip反方向线性上升。开关工作在下半个开关周期中，其工作过程与上半个开关周期相似。
4实验结果与分析
图2a为超前桥臂实现零电压变换的实验波形。
ugVS为功率开关管的脉冲驱动电压波形，其正向电压为15V，反向电压为5V；udsVS为功率开关管两端的电压波形，为便于观察，测量时将其缩小了100倍，为4V（实验时输入的直流电压为400V）。可见，在
轻载情况下，超前桥臂仍能很好地实现其零电压开通与关断。滞后桥臂的零电流变换实验波形如图2b所示。ug为变换器滞后桥臂的脉冲驱动电压波形；iVS
为流过滞后桥臂功率开关管的电流波形。可见，在满载情况下，滞后桥臂完全实现了零电流变换。
图2实验波形
变压器次级整流电路的电压波形如图2c所示，实验时变压器初、次级变比为5，变压器初级导通占空比为0.6。可见，其整流二级管的最大电压应力为
80V，等于变压器初级电压折算到次级的电压，这是
由于箝位电容很大，抑制了箝位电感两端电压的大幅度上升造成整流二极管的应力过大，符合设计过程中的理论分析。图2d为开关电源样机输出电压波形。可见，Uo=48V，在很短的时间内便趋于稳定，响应速度非常快。纹波系数为0.17%，完全满足额定输入电压为48V的电子产品对输入电压的要求。
5结论
对全桥移相脉宽调制零电压零电流软开关变换器进行了优化设计，扩大了其负载变化范围，减小了变压器次级整流侧二极管的电压应力。通过实验验证了理论分析的正确性，输出电压稳定，纹波系数小，满足设计要求。
参考文献
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