移相全桥ZVS变换器的优化及参数设计

移相全桥ZVS变换器的优化及参数设计

史永胜;刘言新;王喜锋;周鹏

【摘要】Accroding to the difficult problem that parameters selection of actual circuit for the phase shifted full bridge ZVS converter,the working principle of the converter and detailed design of the resonant inductor,condens⁃er,high frequency transformer,filter inductance and capacitance of key components parameters in main circuit are briefly introduced. A 48 V/1 KW,50 kHz prototype is developed.The tests show that the converter reaches zero volt⁃age switch at 30%load,the ripple is less than 2%,the efficiency up to 74%at 30%load,the efficiency up to 85%at 60%or more load,which proves the rationality of the design parameters.%针对移相全桥ZVS变换器实际电路参数选取困难问题，简要介绍了其工作原理并以工程计算方法详细设计了谐振电感、隔直电容、高频变压器、滤波电感电容等主电路关键元件参数。以此参数研制了一台48 V/1 kW，50 kHz的样机，经测试表明该变换器能在30%及以上负载范围内实现零电压开关，纹波小于2%，30%负载时效率达到74%，60%及以上负载时效率达到85%以上，证明了参数设计的合理性。

【期刊名称】《电子器件》

【年(卷),期】2016(039)003

【总页数】5页(P650-654)

【关键词】移相全桥变换器;零电压开关;参数设计;工程计算

【作者】史永胜;刘言新;王喜锋;周鹏

【作者单位】陕西科技大学电气与信息工程学院，西安710021;陕西科技大学电

气与信息工程学院，西安710021;陕西科技大学电气与信息工程学院，西安710021;陕西科技大学电气与信息工程学院，西安710021

【正文语种】中文

【中图分类】TM46

移相全桥ZVS变换器利用变压器及辅助电感和开关管的寄生电容发生谐振，能使

功率开关管工作在软开关状态，极大地减小了开关损耗，提高了转换效率。

目前大部分文献都侧重于研究移相全桥ZVS变换器的电路拓扑结构来改善其不足，文献［1］在传统全桥拓扑上加入了由感性元件和电容组成的无源辅助网络，在宽输入电压和整个负载范围内实现原边开关管的ZVS；文献［2］以低成本，设计了简单同时又能满足系统性能的一种带简单的LC辅助谐振电路的变换器拓扑；文献［3］通过在滞后臂并联无源辅助支路提供软开关辅助电流，从而使变换器可以在宽负载范围实现滞后管的ZVS；文献［4］采用饱和电感对电路进行改进，并设计出一套完整的电路参数计算方法，对电路各重要参数进行了分析设计与计算。以往没有较为系统的针对电路各器件参数的计算方法，实际上移相全桥ZVS变换器的

电路参数对系统影响很大，不容易设计。

本文在传统的移相全桥ZVS变换器的基础之上进行了优化，并对电路的重要参数

进行了详细的设计，制作了一台48 V/1 kW，50 kHz的样机，从而验证了参数设计的准确性与可行性。

移相全桥ZVS变换器拓扑如图1所示，利用开关管的寄生电容和高频变压器的漏

电感或原边串联电感作为谐振元件，使开关管能进行零电压开通和关断，从而有效

地降低了电路的开关损耗和开关噪声，减少了器件开关过程中产生的电磁干扰，为变换器提高开关频率、提高效率、减小尺寸及减轻质量提供了良好的条件。

本文所设计的变换器主电路结构如图2所示，采用饱和电感做谐振电感来增大零

电压范围及减小副边占空比丢失，增加二极管钳位电路来抑制副边寄生震荡，加入隔直电容来防止变压器磁饱和。

本文设计的技术指标如下：

输入电压：Vin=380 V～420 V；

输出额定功率：PO=1 kW；

输出直流电压：VO=48 V；

输出电压纹波：小于2%；

效率：不低于85%；

工作频率：fs=50 kHz。

2.1 谐振电感的设计

由于变压器的漏感一般比较小，当变换器的负载比较小时，仅仅利用变压器的漏感实现零电压开关比较困难，特别是滞后桥臂的零电压开关范围更小。因此为了扩大滞后桥臂零开关范围，需要在变压器原边串联一个比较大的电感，称之为谐振电感，要想实现滞后桥臂的零电压开关，需要满足下式［5］：

式中：I为滞后臂MOS管关断时变压器原边的电流；COSS为MOS管的漏源寄

生电容。

谐振电感的设计应该考虑以下几个方面：

（1）为了在任何输入电压下滞后桥臂都能实现零电压开关，输入电压Vin应取最大值Vin（max）；

（2）设计时应保证在30%负载及以上时能实现零电压开关。

在30%负载时，当滞后桥臂的MOS开关管关断时，变压器的原边电流为：

式中：K为高频变压器的变比，其中K的取值详见2.4.1。

本文选用的开关管IPW65R080CFD的漏源寄生电容为COSS=215 pF，Vin （max）为420 V，根据式（1）可得：Lr=42 μH。

2.2 开关频率的选择

当确定了谐振电感的大小以后，可以计算副边占空比丢失的最大值Dloss（max），副边占空比丢失由下式进行计算［6］：

式中：fs为开关频率。

根据式（3），当负载电流最大，同时输入电压最小时，副边占空比损失最大，则最大占空比损失为：

计算高频变压器的变比K时，取变压器的副边占空比的最大值为0.8，也就是Dloss（max）≤1-0.8=0.2，则由式（4）计算可得：fs≤82 kHz。

实际中，为了减小开关电源的重量与体积，在设计电源时，总是希望开关电源的频率越高越好，但是移相全桥ZVS变换器的副边存在占空比丢失，当谐振电感和变

压器的变比确定后，占空比丢失随着开关频率的提高而增大。同时为了减少占空比损失的增加，并且使输出电压稳定，就需要减小变压器的变比，这样会增大变压器原边的电流，这样会造成更大的占空比丢失，因此不能无限制的增加开关频率。高频变压器的磁芯一般选的是铁氧体，磁芯损耗随着开关频率的提高而迅速增加，其损耗与开关频率的1.7次方成正比［7］。因此，综合考虑以上因素，开关频率的

取值选为50 kHz。

2.3 隔直电容的选取

一般情况下，选取隔直电容Cb的时候要使隔直电容两端电压峰值为输入电压的5%～10%［8］，由于输入电压额定值为400 V，所以隔直电容两端的电压峰值

应取为20 V～40 V的范围内，在一个开关周期中，电容满足电荷守恒，可得式（5）：