移相全桥DCDC变换器设计--文献综述

燕山大学里仁学院毕业设计（论文）文献综述

课题名称：移相全桥DC-DC变换

器设计

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一、课题国内外现状

全桥DC-DC变换器比Buck、Boost、Buck-Boost、Fly-back、Forward和Full-Bridge、Half-Bridge等电路更适合高压输入和中大功率的场合，因为其不仅保持了半桥DC-DC变换器中开关管截止时期间承受电压低的特点，又具有Push-Pull电路的输出电压高、输出功率大的优点，而且还能够通过高频变压器实现隔离以及相同或不同的多路电压输出，因此，在国内外基站的直流远程供电方案当中也是首选的电路拓扑结构。

我国自80年代初开始对高频化的高压大功率开关电源技术进行研究，分别列入了“七五”、“八五”、“九五”国家重点攻关项目。随着科技的进步，软开关技术相继被提出，以解决DC-DC变换器在硬开关状态工作下开关损耗及无源元件的损耗增大、高频EMI等缺陷。软开关技术是20世纪80年代初由美国弗吉尼亚电力电子中心李泽元教授首先提出并应用于DCDC变换器中的。由于它具有减少开关损耗、降低电磁干扰等优点，使其发展迅速，被广泛地引入各类电力电子变换器中，并逐渐推向应用。从20世纪80年代以来，国内外电力电子界和电源界不断研究开发高频软开关技术，近些年得到了巨大的发展。目前在控制方式的选择上应用比较多的是移相控制，该控制方式可以通过电路自身寄生参数实现软开关过程，开关频率恒定，结构简单，对输出电压可以进行快速调节，以及有较大的输出电压范围等。基于以上优点，移相控制方式是80年代以来在全桥变换电路中广泛应用的一种软开关控制方式。实际上，在80年代初，我国科学家研究员方资端在美国完成一项逆变器研究课题时已经实现了3kW，150kHz，移相全桥DC-AC变换器模块。

进入20世纪90年代，各种软开关技术，如ZVS/ZCS—PWM、ZVT/ZCT—PWM、移相全桥ZVS—PWM、有源箝位ZVS—PWM等的开发和应用都有较大的发展。移相全桥ZVS-DCDC变换器和全桥移相ZVSZCS-DCDC变换器是目前内外电源界研究的热门课题，并已得到了广泛的应用。ZVS方式主要是通过自身电路电感和电容之间的谐振使两个桥臂的开关管在开通时处于两端零电压的状态，这就消除了开关管的开通损耗，但是它的缺点也是比较明显的，像占空比丢失及轻载时滞后桥臂很难实现ZVS。ZVZCS软开关方式指的是超前桥臂实现ZVS，滞后桥臂实现ZCS。

与ZVS方式相比，它几乎没有占空比丢失情况，但是需要加入复杂的辅助电路。

1994年2月，IEEE电力电子学会组织“功率变换技术2000年展望专题研讨会”，就DC-DC及AC-DC功率变换器的发展趋势与需求进行探讨，指出高功率密度DC-DCZVS开关变换器与器件性能、无源元件、封装技术等有很大关系。与1994年对比，2000年，在保证可靠性增加一倍的基础上，这种变换器功率密度提高一倍，成本降低一半。2008年以来，控制技术和器件技术的进步使得更合理的拓扑得以应用，以整流器效率高于96%为显著标志的第四代电源产品开始商用。主流厂商现都可以生产高效率开关电源产品，部分行业领先的厂家已经推出了峰值效率高于96%的整流模块。

2017年以前世界上大型2G设备将退网，4G时代已经到来，新一代高性能的基站也提出了更高的供电要求：单板及系统的功耗更低、单板上元件密度更大、系统中电路板密度更大；无线设备单位载频功耗的耗电量上也有比较明显的下降，体积小、重量轻、壁挂式安装需要高防护等级及散热效果；在通讯设备上，由于现时所需的容量增加、4G发展、宽频应用等，造成所需的电源功率大大增加，其它问题也相应提出，必须在整体设计上考虑EMI、防干扰、浪涌、瞬态保护、散热设计等重要因素。

二、研究主要成果

在国外，20世纪80年代初英国科学家制造出第一套实用的48V开关电源（SwitchModeRectifier,SMR）。美国VICOR公司生产的48V/600WDC/DC 开关变换器模块，由于采用高频软开关技术，功率密度达到7.32W/cm3,效率为90％。

国家自然基金资助项目产生高浓度臭氧用20kHz高压逆变电源，其转换效率在80％以上，输出功率最高达20kW,电源体积降至原体积1/5。由南京航空航天大学研制的通讯用高频开关电源采用高频开关电力电子变换技术，取代传统的相控整流电源。其输出电流为10A，20A，50A的电源采用两级变换方式：前级为有源功率因数校正部分，它将220V/50Hz的交流电变换成380V的直流电压，同时使输入功率因数为0.999，大大减小了对电网的污染；后级为直流－直流变换部分，该电路将前级的380V直流电压变换成48V直流电压。前级采用零电压过渡Boost变换器，实现了开关管的

零电压开关，消除了二极管的反向恢复问题，同时实现了脉宽调制。后级采用移相控制全桥变换器，实现了所有开关管的零电压开关，消除了输出整流二极管的反向恢复引起的电压振荡和电压尖峰。

三、发展趋势：

DC-DC变换器作为用电设备的供电部分，人们对其效率、性能、重量、体积和稳定性的要求也越来越高，为了缩小DC-DC变换器的体积，提高功率密度，改善动态响应，进一步降低损耗，节约能源，高频化、高效率、高功率密度、高可靠性和绿色是DC-DC变换器技术发展的必然趋势。

在中大功率的应用场合，全桥DC-DC变换器仍然是首选的电路拓扑结构，移相全桥ZVS-DCDC变换器和全桥移相ZVSZCS-DCDC变换器仍旧是目前内外电源界研究的热门课题，主要要求是减小漏感，附加辅助电路来帮助实现零电压开关，尽量使变压器副边的占空比丢失降到最低。辅助电路要简单可靠，不含主控元件且不处于主功率回路中，而且其耗损不能太大。随着科技的进步，新材料的出现，更多具有实用性的电路拓扑将会被提出。四、存在问题

目前国内外在移相全桥DC-DC变换器的研究过程中主要存在一下几个问题：

1、变压器存在循环电流，降低了变换器的效率；

2、变压器的副边在电流换向时存在整流管同时导通的情况，造成占空比丢失最大占空比利用不充分；

3、副边的整流管的电压应力较高，吸收电路的损耗较大且有较大的开关噪音；

4、轻载时滞后臂ZVS实现困难；

5、滞后桥臂实现ZCS,抑制变压器副边二极管电压尖峰，需要附加电路，复杂程度不一，影响整机效率的提高。

五、主要参考文献

[1]王兆安，刘进军.电力电子技术(第五版)[M].机械工业出版社，2009.

[2]赵慧敏,张宪.电力电子技术[M].化学工业出版社，2012.

[3]阮新波，严仰光.脉宽调制DC/DC全桥变换器的软开关技术[M].科学出版社，1999.

[4]林渭勋.现代电力电子电路[M].浙江大学出版社，2002.