移相全桥变换器中RC缓冲电路对系统影响机理与优化研究

移相全桥变换器中RC缓冲电路对系统影响机理与优化研究朱国荣;陈铭;徐小薇;杨志;王婷婷;黄华芳

【摘要】移相全桥ZVS变换器副边整流二极管电压应力较高,需要设计缓冲电路来保证系统性能.然而,加入RC缓冲电路的变换器在某种工作模式下近似为LCL三阶谐振系统,导致接近开关频率的谐振甚至在整流二极管两侧产生更高的电压应力.通过建立移相全桥ZVS变换器在能量传输模式期间的等效电路模型,揭示RC缓冲电路对系统稳定性产生影响机理及电路参数对振荡的影响规律,通过分析选取合理的RC缓冲电路参数,不仅有效降低整流二极管电压应力,同时抑制由缓冲电路带来的振荡问题,进而提高系统的效率.设计了一个3.2 kW(10 A,320 V)的实验样机,验证了理论分析的正确性.%There are high voltage stress through rectifier diodes in phase-shifted full-bridge ZVS converter,so snubber circuit is needed to ensure performance of the system.Therefore,converter with RC snubber circuit in some cases becomes third-order unstable system,which leads to resonance close to switching frequency and even higher voltage stress through diodes.Equivalent circuit model during the energy transfer mode of phase-shifted full-bridge ZVS converter was established,and mechanism of how the RC circuit effect stability of the system and principle of how circuit parameters affect the oscillation were revealed.By analyzing and selecting appropriate parameters of RC snubber circuit,not only can the voltage stress of rectifier diodes in the transformer secondary side be inhibited,but also the oscillation brought by RC circuit be solved.In addition the efficiency of the whole system can be improved.A prototype of 3.2 kW(10 A,320 V)was designed to verify the theoretical analysis.

【期刊名称】《电机与控制学报》

【年(卷),期】2017(021)003

【总页数】7页(P71-77)

【关键词】移相全桥;等效模型;RC缓冲电路;电压振荡

【作者】朱国荣;陈铭;徐小薇;杨志;王婷婷;黄华芳

【作者单位】贵州理工学院电气工程学院,贵州贵阳550003;武汉理工大学自动

化学院,湖北武汉 430070;武汉理工大学自动化学院,湖北武汉 430070;武汉理工

大学自动化学院,湖北武汉 430070;武汉理工大学自动化学院,湖北武汉 430070;贵州理工学院电气工程学院,贵州贵阳550003;天津科技大学电子信息与自动化

学院,天津300222

【正文语种】中文

【中图分类】TM131

移相全桥ZVS变换器在中大功率电源中应用广泛，然而由于变压器副边的整流二

极管不能实现ZCS关断，二极管的反向恢复过程造成了严重的电压尖峰，从而增

大了二极管的电压应力，降低了变换器整体的效率，甚至影响系统正常运行[1-3]。为了解决这一问题，大多采用含有电容元件的缓冲吸收电路[4-6]。其中，抑制效

果较好的电路有RC缓冲电路结构简单，成本最低，存在功耗；RCD缓冲电路含

有一个二极管，存在功耗；用MOSFET构成的有源箝位电路需要增加一套控制和驱动电路，增加了系统的复杂性同时也降低了系统整体效率；折中考虑复杂性，可靠性和效率， RC缓冲电路是较理想的选择。

设计良好的RC缓冲电路的确可以抑制二极管关断瞬间的电压尖峰。然而在移相全

桥ZVS变换器中，由于谐振电感和输出LC低通滤波器的存在，再将变压器分布

参数和缓冲电路考虑在内，变换器则近似等效为一个高阶的LCL二端口网络。如

果RC缓冲电路仍然按照传统的方法来设计参数，电路可能会发生不必要的谐振，不仅导致整流二极管电压应力升高，降低整流二极管的可靠性，而且使得变压器原副边电压出现严重的振荡，增加变压器的损耗，降低系统的效率。

在对LCL结构的研究中，较多的是在三相LCL并网滤波器中的研究。LCL滤波器

抑制高次谐波能力较强，然而对于某一特定频率的谐波，总阻抗接近零，不仅不能抑制，反而会将其放大，从而导致变换器系统的不稳定[7-10]。

为了抑制LCL结构的谐振尖峰，就要增加在谐振频率处的阻尼，可以采用的方式

有有源阻尼和无源阻尼两种[7]。有源阻尼的方法是通过增加控制电路来解决谐振

问题，虽然不会增加电路本身的损耗，但是额外增加的控制电路增加了电路复杂性和成本，且不如无源阻尼可靠。而缓冲电阻就是天然的无源阻尼，采用无源阻尼的方式不需再增加硬件，只需合理配置RC参数，使得谐振被抑制的同时尽量减小阻尼电阻上的损耗，就可以实现最可靠最简便的设计。

本文将RC缓冲电路考虑在内，建立移相全桥变换器的电路模型，定量地分析了这种谐振的频率、增益及产生损耗与缓冲电路参数的关系，根据这个关系，提出一种RC缓冲电路设计与参数选取思路，用来指导RC缓冲电路参数的设计，不仅能有

效地发挥电路自身抑制反向恢复尖峰的作用，而且可避免不必要的谐振带来的各种弊端，提高变换器效率。

图1是移相全桥ZVS电路拓扑，其中Vd是直流电源，Q1-Q4是四个开关管，Lr 是谐振电感，Cb是隔直电容。vp和vs分别是变压器原边和副边绕组两端的电压。D5-D8是整流二极管，缓冲电路中，CS5=CS6=CS7=CS8=CS，

RS5=RS6=RS7=RS8=RS。Lf是输出滤波电感，Co是输出滤波电容，Ro是负载。当Q1和Q4均导通期间，变压器副边整流二极管D5和D8导通，此时变换器工