移相橋滯后橋臂實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)關(guān)的方法綜述

摘要：介紹了移相橋滯后橋?qū)崿F(xiàn)零電壓開(kāi)關(guān)的困難，以及近幾年來(lái)出現(xiàn)的幾種解決方法，重點(diǎn)分析了它們的工作原理，比較了它們的優(yōu)缺點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：零電壓全橋變換器；超前橋臂；滯后橋臂；諧振網(wǎng)絡(luò)

0??? 引言

??? 全橋變換器（Full-bridge Converter）通常應(yīng)用于功率大于400W的開(kāi)關(guān)電源中，特別是在大功率的通信電源中應(yīng)用比較廣泛。但是，硬開(kāi)關(guān)條件下的全橋變換器會(huì)帶來(lái)很大的開(kāi)關(guān)損耗，不利于開(kāi)關(guān)頻率和電源轉(zhuǎn)換效率的提高。針對(duì)硬開(kāi)關(guān)損耗大的問(wèn)題，有人提出了移相控制方法。通過(guò)移相控制可以實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管的零電壓開(kāi)通和關(guān)斷，從而大大改善了開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通與關(guān)斷條件，這樣便可以提高開(kāi)關(guān)的頻率，減少電源的體積，提高電源的轉(zhuǎn)換效率。

1??? 概述

??? 移相全橋變換器如圖1所示。要實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管的零電壓開(kāi)通，必須要有足夠的能量用來(lái)抽走將要開(kāi)通的開(kāi)關(guān)管的結(jié)電容（或外部附加電容）上的電荷；并給同一橋臂要關(guān)斷的開(kāi)關(guān)管的結(jié)電容（或外部附加電容）充電；同時(shí)，考慮到變壓器的原邊繞組的寄生電容，還要抽走變壓器原邊繞組寄生電容上的電荷。

圖1??? 傳統(tǒng)零電壓開(kāi)關(guān)的移相全橋電路

??? 由于超前橋臂在開(kāi)關(guān)過(guò)程中有輸出電流的參與，因此，很容易實(shí)現(xiàn)ZVS。而滯后橋臂在開(kāi)關(guān)過(guò)程中，變壓器原邊是短路的，此時(shí)整個(gè)變換器就被分成兩部分，一部分是原邊電流逐漸改變流通方向，其流通路徑由逆變橋提供；另一部分是負(fù)載電流由整流橋提供續(xù)流回路。負(fù)載側(cè)與變壓器原邊沒(méi)有關(guān)系。此時(shí)用來(lái)實(shí)現(xiàn)ZVS的能量只是諧振電感（漏感和附加諧振電感）中的能量。而諧振電感很小，因此，滯后橋臂開(kāi)關(guān)管實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)通比較困難。

2??? 非拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)性改變的解決方法

??? 從上面的分析可知，滯后橋臂的開(kāi)關(guān)動(dòng)作發(fā)生在回流過(guò)程向能量傳送過(guò)程的轉(zhuǎn)化階段，由于輸出電感電流不能反饋到原邊，使滯后橋臂的開(kāi)關(guān)管并聯(lián)電容只能依靠變壓器原邊的諧振電感進(jìn)行充放電，而諧振電感中存儲(chǔ)的能量很小，使得滯后橋臂開(kāi)關(guān)管實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)通變得很難,特別是在低負(fù)載的時(shí)候更為明顯。

??? 要實(shí)現(xiàn)滯后橋臂的ZVS，必須滿足L_rI₂²>C_lagV_in²＋C_trV_in²，要滿足它就必須增加諧振電感L_r和增加電流I₂。這樣，就有兩種非拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)性改變的方法可以解決滯后橋臂開(kāi)關(guān)管零電壓開(kāi)通難的問(wèn)題：增加勵(lì)磁電流和增加諧振電感。但是，增加勵(lì)磁電流會(huì)增加變壓器的損耗，增加諧振電感又將引起副邊占空比的丟失。為了更容易實(shí)現(xiàn)滯后橋臂的開(kāi)關(guān)管零電壓開(kāi)通，達(dá)到既不增加開(kāi)通損耗，又減少占空比丟失的目的，近來(lái)一些新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)被提出。

3??? 滯后橋臂并聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)的零電壓開(kāi)關(guān)移相全橋變換器

??? 為了克服滯后橋臂實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)關(guān)難的問(wèn)題，同時(shí)又不會(huì)引起占空比的丟失和開(kāi)通損耗的增大，文獻(xiàn)提出了一種在滯后橋臂并聯(lián)一個(gè)諧振電感和兩個(gè)諧振開(kāi)關(guān)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖2所示。開(kāi)關(guān)的控制策略如圖3所示。本拓?fù)湓诎雮€(gè)周期內(nèi)有6個(gè)工作模態(tài)。

圖2??? 滯后橋臂并聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)的ZVS移相全橋變換器

圖3??? 滯后橋臂并聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)變換器的控制策略

??? 模態(tài)1??? S₁及S₂同時(shí)導(dǎo)通，濾波電感電流線性增加。

??? 模態(tài)2??? S₁關(guān)斷，原邊電流抽取S₃并聯(lián)電容C₃上的電荷，同時(shí)對(duì)S₁并聯(lián)電容充電，在充放電完畢，D₃導(dǎo)通。由于輸出電路電感很大，因此，流過(guò)濾波電感上的電流可以看作為一個(gè)恒流源。

??? 模態(tài)3??? 在D₃導(dǎo)通后，就可以零電壓開(kāi)通S₃。此時(shí)，變壓器原邊電壓變?yōu)榱?，副邊電壓也同時(shí)變?yōu)榱悖?個(gè)整流二極管同時(shí)導(dǎo)通，以維持輸出濾波電感電流。

??? 模態(tài)4??? 關(guān)斷S₂，利用存儲(chǔ)在漏感上的能量抽取C₄上的電荷，并給C₂充電，當(dāng)漏感很小，存儲(chǔ)在漏感中的能量不足以抽取C₄上的電荷，并給C₂充電時(shí)，D₄就不會(huì)導(dǎo)通，那么S₄就不能實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)通。為了使S₄實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)通，在關(guān)斷S₂前先開(kāi)通S_a來(lái)建立諧振電流。

??? 模態(tài)5??? 當(dāng)諧振電流建立到足夠大時(shí)，同時(shí)關(guān)斷S₂及S_a，這樣有諧振電感和漏感上的能量一同提供充放電所需的能量，使得S₄實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)通。

??? 模態(tài)6??? 當(dāng)D₄導(dǎo)通，就可以在零電壓條件下開(kāi)通S₄，輸出電流反饋到原邊流過(guò)S₃及S₄。在諧振電感上的能量經(jīng)過(guò)S₄和D_b回饋到電源。

??? 后半個(gè)周期工作狀態(tài)跟前半個(gè)周期一樣。

??? 本電路的優(yōu)點(diǎn)是：

??? 1）滯后橋臂能夠成功地實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)通關(guān)斷；

??? 2）開(kāi)關(guān)的開(kāi)通損耗比較低；

??? 3）占空比丟損比較小。

??? 本電路中，諧振電感的設(shè)計(jì)比較重要，如果諧振電感選擇得過(guò)大，就容易引起不必要的開(kāi)通損耗，如果過(guò)小，又不能夠使滯后橋臂實(shí)現(xiàn)零電壓關(guān)斷。諧振開(kāi)關(guān)的開(kāi)通時(shí)間也要合理選擇，才能在實(shí)現(xiàn)滯后橋臂的零電壓關(guān)斷的條件下又不引起過(guò)多損耗。

??? 上面電路的主要缺點(diǎn)是在負(fù)載比較小的時(shí)候，實(shí)現(xiàn)超前橋臂的零電壓關(guān)斷比較困難；電路中增加了兩個(gè)諧振開(kāi)關(guān)，使電路成本增大；控制電路比較復(fù)雜；諧振電路的開(kāi)關(guān)是硬開(kāi)關(guān)關(guān)斷，將會(huì)產(chǎn)生額外損耗；兩個(gè)諧振電路都是與同一個(gè)橋臂兩個(gè)開(kāi)關(guān)管并聯(lián)，使得電路阻尼震蕩加劇。

4??? 一種新的并聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)的零電壓開(kāi)關(guān)移相全橋變換器

??? 文獻(xiàn)中也提出了一種并聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)的方法，是將諧振網(wǎng)絡(luò)分別與兩個(gè)橋臂的下管并聯(lián)，如圖4所示。這樣需調(diào)整一下控制方法，其控制策略如圖5所示。S₂及S₄的開(kāi)通時(shí)間為DT/2，而S₁及S₃的開(kāi)通時(shí)間為（1－D）T/2，占空比的調(diào)節(jié)不需要移相，只要調(diào)整S₂及S₄的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的寬度就可以實(shí)現(xiàn)。由于S₁及S₃的開(kāi)通處于能量傳送過(guò)程，其并聯(lián)電容上的電荷能夠在它們開(kāi)通前由原邊漏感電流和副邊耦合過(guò)來(lái)的電流抽掉，它們能夠?qū)崿F(xiàn)零電壓開(kāi)通，但S₂及S₄處于換流階段，存儲(chǔ)在漏感上的電流不足以使S₄或S₂的并聯(lián)電容的電壓降到零，這樣需要借助諧振電路。在S₂（S₄）導(dǎo)通前，打開(kāi)諧振開(kāi)關(guān)S_a1（S_a2），在諧振電感上建立諧振電流，當(dāng)S₁（S₃）關(guān)斷時(shí)，就可以參與橋臂并聯(lián)電容的充放電。這樣電路中的4個(gè)開(kāi)關(guān)管可以全部實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)通。在該電路中，諧振支路與主開(kāi)關(guān)管并聯(lián)，可以實(shí)現(xiàn)任意較寬負(fù)載的零電壓開(kāi)關(guān)。由于可以減少漏感，從而減少了占空比的丟失。有源輔助電路種類的增加，使得選擇最合適的電路并使設(shè)計(jì)達(dá)到要求成為可能。

圖4??? 一種新的并聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)的ZVS移相全橋變換器

圖5??? 新的并聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)的ZVS移相全橋變換器控制策略

5??? 一種全新的PWM-ZVS-FB變換器

??? 上述電路都有一個(gè)共同的缺點(diǎn)，即在輕載時(shí)實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)關(guān)比較困難，并且增加了兩個(gè)諧振開(kāi)關(guān)，使得控制電路變得非常復(fù)雜。文獻(xiàn)[4]中提出了一種全新的PWM?ZVS-FB變換器，如圖6所示，變換器各點(diǎn)波形如圖7所示。左橋臂是滯后橋臂，右橋臂是超前橋臂。左橋臂和左邊兩個(gè)電容（兩個(gè)電容很大，可以看成是兩個(gè)電壓源），變壓器T₁構(gòu)成一個(gè)半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；左右橋臂和變壓器T₂構(gòu)成一個(gè)全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，左橋臂上下開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間為半個(gè)周期（死區(qū)時(shí)間忽略不計(jì)）。通過(guò)調(diào)節(jié)右橋臂與左橋臂開(kāi)通和關(guān)斷信號(hào)的相位，實(shí)現(xiàn)電壓的調(diào)節(jié)。其滯后橋臂零電壓開(kāi)關(guān)主要通過(guò)變壓器T₁和變壓器T₂的勵(lì)磁電流來(lái)實(shí)現(xiàn)。為減少占空比的丟失，將兩個(gè)變壓器的漏感取得比較小，變壓器T₁上的勵(lì)磁電流波形如圖8所示，因此，變壓器T₁的勵(lì)磁電流的增大不會(huì)引起占空比的丟失，而變壓器T₂的勵(lì)磁電流波形如圖9所示，它的增大會(huì)引起開(kāi)關(guān)導(dǎo)通損耗增加。為了降低占空比損失，避免引起過(guò)多的開(kāi)通損耗，將變壓器T₁的勵(lì)磁電流取得比較大，將變壓器T2的勵(lì)磁電流和兩變壓器的漏感取得比較小。由于輸出電壓等于變壓器T₁和變壓器T₂的副邊電壓值之和，當(dāng)兩個(gè)變壓器副邊電壓和變?yōu)榱銜r(shí)，開(kāi)關(guān)S₁上的電壓已抽走了一部分，在原邊被副邊鉗位后，S₁上的電壓不是V_in，而是低于V_in，使實(shí)現(xiàn)滯后橋臂開(kāi)關(guān)管的零電壓開(kāi)通更加容易。由理想波形圖圖7分析可看出，由于兩個(gè)變壓器同時(shí)傳送能量，該電路的輸出電壓的紋波也很小，這樣輸出濾波電感可以設(shè)計(jì)得很小，從而減少了設(shè)計(jì)成本和變換器的體積。

圖6??? 全新的PWM-ZVS- FB變換器

圖7??? 全新的PWM-ZVS-FB變換器各點(diǎn)波形

圖8??? 變壓器T₁原邊勵(lì)磁電流波形

圖9??? 變壓器T₂原邊勵(lì)磁電流波形

??? 該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在沒(méi)有增加任何開(kāi)關(guān)管的情況下，成功實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)關(guān)，而且由于變壓器T₁的存在，使得零電壓開(kāi)關(guān)可以在輕載時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)。同時(shí)又使輸出的性能得到改善。

6??? 結(jié)語(yǔ)

??? 傳統(tǒng)移相橋通常用于大功率的開(kāi)關(guān)電源中，其滯后橋臂開(kāi)關(guān)管難以實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)通制約著它的應(yīng)用，為更好地改善滯后橋臂的開(kāi)通條件，真正實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)通，許多技術(shù)和拓?fù)浔惶岢觥１疚耐ㄟ^(guò)對(duì)傳統(tǒng)的移相PWM-ZVS-FB變換器的特點(diǎn)及其存在問(wèn)題進(jìn)行分析，并對(duì)最近出現(xiàn)的實(shí)現(xiàn)全橋零電壓開(kāi)關(guān)的解決方法進(jìn)行詳細(xì)的分析，比較了它們的優(yōu)缺點(diǎn)。這幾個(gè)方法和拓?fù)涠即蟠蟾纳屏藴髽虮鄣拈_(kāi)通條件，特別是最后的那種方法不但實(shí)現(xiàn)了零電壓開(kāi)關(guān)，還改善了輸出濾波條件，值得我們進(jìn)行更深入的研究。