移相全桥ZVZC软开关DC_DC稳压电源分析与设计_吕春锋

断电容 Cb 放电，由于阻断电容 Cb 较大，其自身电压在放电过
(e)
4
(f)
5
图 ３ 换流过程模态
VDR2 流过负载电流。 要实现滞后桥臂零电流，原边电流需在滞后桥臂开通前
减小到零。由开关模态 2 可知，原边电流线性减小：
V (t ) − V (t ) ?V
(1)
i (t) − I ?V (t ? t ) / L
?V (t ) ? V (t ) ? 2 C V / C ?
V ? I ?t / C ? 2 C V / C ? ?V
(5)
一般 Cr垲Cb，式(5)可以简化为：
程中近似不变，而变压器原边电流近似线性减小。
V − I ?t / 2 C
(6)
如图 3(d)所示，开关模态 3 换流过程如下：[t2-t3]期间，阻
通常所说的硬开关，在开通和关断时会产生较大的开关 损耗，开关频率越高，损耗越大。软开关电源是在开关器件通 断条件下，加在其电压上电压为零，即零电压开关(ZVS)，或者 通过开关器件的电流为零，即零电流开关(ZCS)。软开关技术 显著解决了元件开关时刻产生的损耗，可以更大幅度地提高 开关频率，这种软开关的方式为缩小电源体积和提高电源效 率创造了条件。移相全桥零电压零电流软开关(ZVZCS)DC-DC 变换器是在移相全桥 ZVS 的基础上发展而来的，其工作模式 基本上克服了 ZVS 和 ZCS 软开关模式的固有缺陷，使全桥变 换器的超前桥臂实现 ZVS，而滞后桥臂实现 ZCS，在中、大功 率开关电源中具有广泛的应用。其超前桥臂的零电压实现是 通过并联电容电压不能突变完成的，滞后桥臂的零电流是通 过串联隔直电容和漏感谐振，从而使电流能量转移到了电容 中，滞后桥臂串接的二极管阻止了关断后的反向电流，减弱了 环路损耗[1]。
ÁÂÄÁÂÅÃÆÃÁÆÆÁÁÁÃÃÃÈ 图１移相全桥ＺＶＺＣＳ电路原理图
ÈÈ 路与 Cf 和 Lf 构成的滤波器得到比较平滑的电压值 Vo=D·
Vin/n，其 D 为占空比，D =Ton/(Ts/2)，可以通过占空比调节输 出电压。图 2 所示为各个模态换流波形。
(a)
0
(c)
2
(b)
1
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２０１３．７ Ｖｏｌ．３７ Ｎｏ．７
研究与设计
超前桥臂 PWM 导通信号，全比较单元 2 生成滞后桥臂 PWM 导通信号，输出的 PWM 驱动集成功率模块来开通关断 IGBT 的门级，通过产生的事件中断完成换相和换流过程，硬件电路 包括驱动电路、保护电路和检测电路三大部分。图 4 为移相全
１ 移相全桥 ＺＶＺＣＳ ＤＣ／ＤＣ 变换器主 电路工作原理
图 1 为移相全桥 ZVZCS 电路原理图。在一个开关换相的 工作周期中含有 6 个开关模态，图 2 给出了 6 种开关模态的 工作过程电路的主要波形，其中 VT1、VT3 与续流二极管 VD1、 VD3 和并联电容 C1、C3 构成超前桥臂，VT2、VT4 与串联的二极 管 VD2、VD4 构成滞后桥臂，假定：(1)阻断电容 Cb 足够大；(2) C1=C3=Cr；(3)K2Lf＞Llk，其中 K 为变压器初级次级侧匝数比； (4)所有 IGBT、二极管、电感、电容为理想元件。
Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｐｈａｓｅ－ｓｈｉｆｔ ｆｕｌｌ ｂｒｉｄｇｅ ｚｅｒｏ－ｖｏｌｔａｇｅ ｚｅｒｏ－ｃｕｒｒｅｎｔ ｓｏｆｔ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ （ＺＶＺＣＳ） ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｗａｓ ａｎａｌｙｚｅｄ， ｔｏ ｃｈｏｏｓｅ ＺＶＺＣＳ ｓｏｆｔ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｃｉｒｃｕｉｔ ｗｉｔｈ ｄｉｏｄｅ ｃｏｎｃａｔｅｎａｔｅｄ ｔｈｅ ｌａｇ ｂｒｉｄｇｅ ａｒｍ， ｌａｇ ｏｆ ｂｒｉｄｇｅ ａｒｍ ｗｉｔｈ ｃｏｎｃａｔｅｎａｔｅｄ ｄｉｏｄｅ ｐｒｅｖｅｎｔｓ ｅｘｃｈａｎｇｅ ｏｆ ｒｅｖｅｒｓｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｉｎ ｔｈｅ ｔｕｒｎ－ｏｆｆ ｐｈａｓｅ． Ｔｈｅ ｌｏｏｐ ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ ｗａｓ ｗｅａｋｅｎｅｄ ａｎｄ ｃｉｒｃｕｉｔ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｗａｓ ｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄ． Ａ ｓｅｔ ｏｆ ｄｉｇｉｔａｌ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２ ｔｏ ｄｒｉｖｅ ｓｏｆｔ ｓｗｉｔｃｈ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｐｈａｓｅ－ｓｈｉｆｔ ｆｕｌｌ ｂｒｉｄｇｅ ｚｅｒｏ－ｖｏｌｔａｇｅ ａｎｄ ｚｅｒｏ－ｃｕｒｒｅｎｔ ｏｆ ｍａｉｎ ｃｉｒｃｕｉｔ ｔｏｐｏｌｏｇｙ ｗａｓ ｂｕｉｌｔ． Ｔｈｅ ＤＣ－ＤＣ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｒｅａｌｉｚｅｄ ｃｏｎｓｔａｎｔ ｖｏｌｔａｇｅ ａｎｄ ｃｏｎｓｔａｎｔ ｃｕｒｒｅｎｔ ａｄｊｕｓｔｍｅｎｔ ｂｙ ｐｈａｓｅ ｓｈｉｆｔ ＰＷＭ ｃｌｏｓｅ－ｌｏｏｐ ｃｏｎｔｒｏｌ． Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｉｓ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｓ ｔｈｅ ｚｅｒｏ ｓｗｉｔｃｈ ａｎｄ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｗｉｔｃｈ ｏｎ ａｎｄ ｏｆｆ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ＤＣ－ＤＣ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ； ｚｅｒｏ ｖｏｌｔａｇｅ ａｎｄ ｚｅｒｏ ｃｕｒｒｅｎｔ； ｐｈａｓｅ ｓｈｉｆｔ ＰＷＭ ｃｏｎｔｒｏｌ； ｓｏｆｔ ｓｗｉｔｃｈ
e&f!Æ'1g"6#(2$7)3h%804i9ÁÇÈ@ÂÉAÃBÄCÅD"5EI`acFPb29QRAd@SBGTHÅUQXVPYW桥控制电路系统结构图。
如图 5 所示，Δt 是移相角 α所对应的时间差，Δdt 是同一 桥臂导通的死区时间，选用 DSP 中事件管理器的两个全比较 单元输出 PWM 控制信号，选择连续增减计数方式用定时器产 生比较中断和周期中断[3]。图中的 cmpr1 和 cmpr1' 为事件管理 器中全比较单元 1 的比较值，cmpr1 是计数增加时候的比较 值，cmpr1' 是计数减小时候的比较值。图中的 cmpr2 和 cmpr2' 为事件管理器中全比较单元 2 的比较值，cmpr2 是计数增加时 候的比较值，cmpr2' 是计数减小时候的比较值，存在如下关 系：
可以推导出：
断二极管 VD2 和 VD4 阻止初级电流反向流动，变压器原边电
t − L ?I /V ? 2 L C / (D ?T / 2)
(7)
流保持为零。
式中：D 是占空比，电流减小到零的时间与输入电压和负载无
如图 3(e)所示，开关模态 4 换流过程如下：[t3-t4]期间，由
关[2]。
于初级无电流流过，VT4 为零电流关断。延时后开通 VT2，由于 ２ 移相全桥 ＺＶＺＣＳ 控制器硬件设计
(2)
假设 t2 时刻电流下降为零，原边电流下降为零所需要的
时间为 t12，令式(2)得零有：
t − L ?I / V
(3)
在开关模态 5[t4-t5]，t5 时刻有：
V (t ) −V ?I ?t / C
(4)
下个周期内[t5-t10]与前述[t0-t5]所述结论类似，阻断电容在
t6 时刻达到负的最大值－VCbP，类比开关模态 1，可以得到：
收稿日期：２０１３－０５－０８ 作者简介：吕春锋（１９７９—），男，陕西省人，工程师，主要研究方向 为化学电源。
本文详细分析了移相控制 ZVZCS PWM DC/DC 全桥变 换器超前桥臂零电压，滞后实现桥臂零电流的全过程，分析了 各个时刻电路的电流流向和主要波形，并通过构建 2812 的控 制平台，实现零开关电路。移相控制全桥软开关电源则是通过 改变两臂对角线上下管驱动电压移相角的大小来调节输出电 压和输出电流。
VT1 关断，VT4 仍然导通，VT1 两端的电容 C1 开始充电，C3 放 电，C1 两端电压线性上升，C3 两端电压线性下降，VT1 零电压 关断，由于次级电路中电感 Lf 较大，依然可以看成恒流源，原 边电流不变 Ip=Io/K。
ÂÅÄ 如图3(c)所示，开关模态2换流过程如下：[t1-t2]期间，VD3 ÇÁÂÄ 续流导通，开通VT3，实现了零电压开通，UAB两端电压为0，阻
全桥电路基本工作原理，直流电压经过 VT1、VT3 和 VT2、 VT4 构成全桥开关，经过变压器后得到方波电压，经过整流电
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研究与设计
ÁÂÃÄÇÈÁÂÅÆÁÇÉÃÅÈÉÁÁÂÂÄÃÃÄÃÄÇÇÈÈÈÉÉÉÅÆÅÆÅÆÁÁÃÃÃÈÈÈÁÁÁÂÂÂÃÄÃÄÃÄÇÇÇÈÈÈÉÉÉÅÅÅÆ V
研究与设计
移相全桥 ＺＶＺＣ 软开关 ＤＣ－ＤＣ 稳压电源分析与设计
吕春锋，韩 超， 刘志伟 （中国电子科技集团公司 第十八研究所，天津 300384）
摘要：针对移相全桥零电压零电流软开关（ＺＶＺＣＳ）工作原理进行详细分析，选择了滞后桥臂串接二极管的 ＺＶＺＣＳ 软开 关电路进行研究，滞后桥臂串接的二极管阻止了关断后的反向电流，减弱了环路损耗，电路结构较为简单，同时设计了 一套基于 ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２ 的数字控制系统驱动软开关，构建了移相全桥零电压零电流的主电路拓扑结构。该 ＤＣ－ＤＣ 变 换器通过 ＰＷＭ 移相控制闭环实现了恒电压、恒电流的调整，实验表明，该控制系统实现了零开关，减小了开关通断过 程的功耗。 关键词：ＤＣ－ＤＣ 变换器；零电压零电流；移相 ＰＷＭ 控制；软开关 中图分类号：ＴＭ １３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００２－０８７ Ｘ（２０１３）０７－１２１６－０４
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图 ２ 各个模态主要波形图
如图 3(a)所示，开关模态 0 换流过程如下：t 0 时刻，VT1、
Ä VT4导通，变压器向次级传递能量，隔直电容 Cb充电，由于变
压器副边电路中电感 Lf 较大，可以近似看成恒流源，初始侧的 电流为恒定值 Ip=Io/K。
ÁÂÅÆ 如图3(b)所示，开关模态1换流过程如下：[t0-t1]期间，