第十章-软开关技术2——移相控制ZVS-PWM-DC-DC全桥变换器
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PS ZVS PWM全桥变换器实现ZVS的关键在于滞后桥臂。滞后桥臂实现 ZVS的条件就是式8.19，可以看出，要满足它，要么增加谐振电感 L r ， 要么增加 I 2 。
1 2
L r I 2 C la g V in
2
2
1 2
C T R V in
2
1.增加励磁电流
2.增大谐振电感
3.副边占空比的丢失 副边占空比的丢失是PS ZVS PWM全桥变换器的一个重要现象。 所谓副边占空比丢失，就是副边占空比D S 小于原边的占空比 D P 。 产生副边占空比丢失的原因是：存在原边电流从正向（或负向）变化到负 向（或正向）负载电流的时间，这部分时间与二分之一开关周期的比值 t25 就是副边的占空比丢失 D ，即 D
i p (t ) I 2 c o s (t t2 )
v C 4 ( t ) Z P I 2 s in ( t t 2 )
v C 2 ( t ) V in Z P I 2 s in ( t t 2 )
1 2 L r C la g
式中 Z P
Lr 2 C la g
1.实现ZVS的条件 要实现开关管的零电压开通，必须有足够的能量： ①抽走将要开通的开关管的结电容（或外部附加电容）上的电荷； ②给同一桥臂关断的开关管的结电容（或外部附加电容）充电； 考虑到变压器的原边绕组电容，还要有能量用来： ③抽走变压器原边绕组寄生电容C R T 上的电荷。
要实现开关管的零电压开通，必须满足下式：
34 r P 3 in
开关模态5 在 t 4 时刻，原边电流流经 Q 2和 Q 。 由于原边电流仍不足以提供负载电 流，负载电流仍由两个整流管提供 回路，因此原边绕组电压仍然为零， 加在谐振电感两端电压是电源电 压 V ，原边电流反向线性增加。 in
6.
3
i p (t )
V in Lr
(t t4 )
t d ( la g )
1
s in
1
V in Z P I2
此时电源电压V i n 加在谐振电感 L r 两 端，原边电流 i p 线性下降。
i p (t ) I p (t3 ) V in Lr (t t3 )
p 3
到 t 4 时刻，原边电流从 I ( t )下降到 零，二极管 D 2 和 D 3 自然关断。 持续时间为： t L I ( t ) / V
lo s s
lo s s
TS / 2
而 t25
Lr [ I 2 I Lf (t5 ) / K ] V in
那么有：D lo s s
2 Lr [ I 2 I Lf (t5 ) / K ] V in T S
D l o s s 越大；②负载越大， D l o s s 越大；③ V i n 越低， D l o s s 越大。 可知：① L r 越大， D l o s s 的产生使D S 减小，为了得到所要求的输出电压，就必须减小原副边的 匝比。而匝比的减小，带来两个问题： ①原边电流增加，开关管电流峰值也要增加，通态损耗加大； ②副边整流桥的耐压值要增加。
移相控制ZVS PWM DC/DC全桥 变换器
10.3.2工作原理
本节分析移相控制零电压开关PWM DC/DC全桥变换器，其基本电路如图所 示：
器 主 要 波 形 如 左 图 全 所 桥 示 变 ： 换
ZVS PWM DC/DC
在不同开关状态下的等效电路如下所示：
对于变换器各工作状态的描述如下：
2
Lr K L f
2
(t t5 )
因为 L r K L f ，上式可简化为
i p (t ) V in / K V 0 K Lr (t t5 )
在 t 6 时刻，Q 3关断，变换器开始 另一半个周期的工作，其工作 情况类似于上述的半个周期。
10.3. 3 两个桥臂实现ZVS的差异
4.开关模态3 在 t 2 时刻，关断 Q 4，原边电流 i p 转 移到 C 2和 C 4中，一方面抽走 C 2上的 电荷，另一方面又给 C 4 充电。 由于C 2 和C 4 的存在，Q 4 的电压是从零 慢慢上升的，因此 Q 4是零电压关 断。这段时间里谐振电感 L r 和C 2 及 C 4在谐振工作。原边电流 i p 和 C 4 的电压分别为： 电容C 2 ，
到 t 5 时刻，原边电流达到折算到原 边的负载电流 I L f ( t 5 ) / K 值，该开 关模态结束。 持续时间为：
t45 Lr I Lf (t5 ) / K V in
7. 开关模态6 在这段时间里，电源给负载供电 原边电流为:
i p (t )
V in K V 0
3.滞后桥臂实现ZVS 滞后桥臂要实现ZVS比较困难。在滞后桥臂开关过程中，变压器副边是短 路的，此时用来实现ZVS的能量只是谐振电感中的能量，如果不能满足 下式，就无法实现ZVS。 1 1 2 2 2 L r I 2 C la g V in C T R V in 2 2 （8.19）
10.3. 4 实现ZVS的策略及副边占空比的丢失
t d ( le a d ) t 0 1
D3导通后，将Q3 的电压箝在零位 此时开通Q3 ，则Q3是零电压开通。 Q3和Q1驱动信号之间的死区时间 ，即
t d ( le a d ) 2 C le a d V in / I 1
在这段时间里，原边电流等于折算 到原边的滤波电感电流，即
i p (t ) iLf (t ) / K
1.开关模态0 Q 1和 Q 4 导通。原边 在 t 0 时刻， 电流 i p 流经Q 1 ，谐振电感 L r 和变压器原边绕组以及 Q 4 。 D R 2截止，原 整流管D R 1 导通， 边给负载供电。
2.开关模态1 在 t 0 时刻关断Q 1 ，原边电流 i p 从 Q 1中转移到到 C 和 C 支路中，给 C 充电，同时 C 被放电。 电容 C 的电压从零开始线性上升 电容 C 的电压从 V i n 开始线性下降 Q 1是零电压关断。
E
1 2
C iV in
2
1 2
C iV in
2
1 2
C R T V in C iV in
2
2
1 2
C R T V in
2
(i=lead， lag)
（8.18）
2.超前桥臂实现ZVS 超前桥臂容易实现ZVS。在超前桥臂开关过程中，输出滤波电感 L f 是与谐 振电感 L r 串联的，此时用来实现ZVS的能量是L f 和 L r 中的能量。这个能 量很容易满足式8.18。
3 1 1 3 1 3
i p (t ) I p (t0 ) I1
vC 1 (t ) I1 2 C le a d (t t0 )
v C 3 ( t ) V in
3
I1 2 C le a d
(t t0 )
3
C 电压降到零，D 自 在 t 1 时刻， 然导通。
3.开关模态2
wenku.baidu.com
D2 在 t 3 时刻，C 4 的电压上升到 V i n ， 自然导通。 V in 1 1
t23
s in
Z P I2
5.开关模态4 在 t 3 时刻，D 2自然导通，将 Q 2 的电 压箝在零位，此时就可以开通 Q 2 Q 2 和Q 4 驱动信号 Q 2 是零电压开通。 之间的死区时间 t d ( la g ) t 2 3 即
1 2
L r I 2 C la g V in
2
2
1 2
C T R V in
2
1.增加励磁电流
2.增大谐振电感
3.副边占空比的丢失 副边占空比的丢失是PS ZVS PWM全桥变换器的一个重要现象。 所谓副边占空比丢失，就是副边占空比D S 小于原边的占空比 D P 。 产生副边占空比丢失的原因是：存在原边电流从正向（或负向）变化到负 向（或正向）负载电流的时间，这部分时间与二分之一开关周期的比值 t25 就是副边的占空比丢失 D ，即 D
i p (t ) I 2 c o s (t t2 )
v C 4 ( t ) Z P I 2 s in ( t t 2 )
v C 2 ( t ) V in Z P I 2 s in ( t t 2 )
1 2 L r C la g
式中 Z P
Lr 2 C la g
1.实现ZVS的条件 要实现开关管的零电压开通，必须有足够的能量： ①抽走将要开通的开关管的结电容（或外部附加电容）上的电荷； ②给同一桥臂关断的开关管的结电容（或外部附加电容）充电； 考虑到变压器的原边绕组电容，还要有能量用来： ③抽走变压器原边绕组寄生电容C R T 上的电荷。
要实现开关管的零电压开通，必须满足下式：
34 r P 3 in
开关模态5 在 t 4 时刻，原边电流流经 Q 2和 Q 。 由于原边电流仍不足以提供负载电 流，负载电流仍由两个整流管提供 回路，因此原边绕组电压仍然为零， 加在谐振电感两端电压是电源电 压 V ，原边电流反向线性增加。 in
6.
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i p (t )
V in Lr
(t t4 )
t d ( la g )
1
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1
V in Z P I2
此时电源电压V i n 加在谐振电感 L r 两 端，原边电流 i p 线性下降。
i p (t ) I p (t3 ) V in Lr (t t3 )
p 3
到 t 4 时刻，原边电流从 I ( t )下降到 零，二极管 D 2 和 D 3 自然关断。 持续时间为： t L I ( t ) / V
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TS / 2
而 t25
Lr [ I 2 I Lf (t5 ) / K ] V in
那么有：D lo s s
2 Lr [ I 2 I Lf (t5 ) / K ] V in T S
D l o s s 越大；②负载越大， D l o s s 越大；③ V i n 越低， D l o s s 越大。 可知：① L r 越大， D l o s s 的产生使D S 减小，为了得到所要求的输出电压，就必须减小原副边的 匝比。而匝比的减小，带来两个问题： ①原边电流增加，开关管电流峰值也要增加，通态损耗加大； ②副边整流桥的耐压值要增加。
移相控制ZVS PWM DC/DC全桥 变换器
10.3.2工作原理
本节分析移相控制零电压开关PWM DC/DC全桥变换器，其基本电路如图所 示：
器 主 要 波 形 如 左 图 全 所 桥 示 变 ： 换
ZVS PWM DC/DC
在不同开关状态下的等效电路如下所示：
对于变换器各工作状态的描述如下：
2
Lr K L f
2
(t t5 )
因为 L r K L f ，上式可简化为
i p (t ) V in / K V 0 K Lr (t t5 )
在 t 6 时刻，Q 3关断，变换器开始 另一半个周期的工作，其工作 情况类似于上述的半个周期。
10.3. 3 两个桥臂实现ZVS的差异
4.开关模态3 在 t 2 时刻，关断 Q 4，原边电流 i p 转 移到 C 2和 C 4中，一方面抽走 C 2上的 电荷，另一方面又给 C 4 充电。 由于C 2 和C 4 的存在，Q 4 的电压是从零 慢慢上升的，因此 Q 4是零电压关 断。这段时间里谐振电感 L r 和C 2 及 C 4在谐振工作。原边电流 i p 和 C 4 的电压分别为： 电容C 2 ，
到 t 5 时刻，原边电流达到折算到原 边的负载电流 I L f ( t 5 ) / K 值，该开 关模态结束。 持续时间为：
t45 Lr I Lf (t5 ) / K V in
7. 开关模态6 在这段时间里，电源给负载供电 原边电流为:
i p (t )
V in K V 0
3.滞后桥臂实现ZVS 滞后桥臂要实现ZVS比较困难。在滞后桥臂开关过程中，变压器副边是短 路的，此时用来实现ZVS的能量只是谐振电感中的能量，如果不能满足 下式，就无法实现ZVS。 1 1 2 2 2 L r I 2 C la g V in C T R V in 2 2 （8.19）
10.3. 4 实现ZVS的策略及副边占空比的丢失
t d ( le a d ) t 0 1
D3导通后，将Q3 的电压箝在零位 此时开通Q3 ，则Q3是零电压开通。 Q3和Q1驱动信号之间的死区时间 ，即
t d ( le a d ) 2 C le a d V in / I 1
在这段时间里，原边电流等于折算 到原边的滤波电感电流，即
i p (t ) iLf (t ) / K
1.开关模态0 Q 1和 Q 4 导通。原边 在 t 0 时刻， 电流 i p 流经Q 1 ，谐振电感 L r 和变压器原边绕组以及 Q 4 。 D R 2截止，原 整流管D R 1 导通， 边给负载供电。
2.开关模态1 在 t 0 时刻关断Q 1 ，原边电流 i p 从 Q 1中转移到到 C 和 C 支路中，给 C 充电，同时 C 被放电。 电容 C 的电压从零开始线性上升 电容 C 的电压从 V i n 开始线性下降 Q 1是零电压关断。
E
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C iV in
2
1 2
C iV in
2
1 2
C R T V in C iV in
2
2
1 2
C R T V in
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(i=lead， lag)
（8.18）
2.超前桥臂实现ZVS 超前桥臂容易实现ZVS。在超前桥臂开关过程中，输出滤波电感 L f 是与谐 振电感 L r 串联的，此时用来实现ZVS的能量是L f 和 L r 中的能量。这个能 量很容易满足式8.18。
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i p (t ) I p (t0 ) I1
vC 1 (t ) I1 2 C le a d (t t0 )
v C 3 ( t ) V in
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(t t0 )
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C 电压降到零，D 自 在 t 1 时刻， 然导通。
3.开关模态2
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D2 在 t 3 时刻，C 4 的电压上升到 V i n ， 自然导通。 V in 1 1
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Z P I2
5.开关模态4 在 t 3 时刻，D 2自然导通，将 Q 2 的电 压箝在零位，此时就可以开通 Q 2 Q 2 和Q 4 驱动信号 Q 2 是零电压开通。 之间的死区时间 t d ( la g ) t 2 3 即