移相全桥软开关工作原理解析

ZVZCS移相全桥软开关工作原理
(1) 主电路拓扑
本设计采用ZVZCS PWM移相全桥变换器，采用增加辅助电路的方法复位变压器原边电流，实现了超前桥臂的零电压开关(ZVS)和滞后桥臂的零电流开关(ZCS)。

电路拓扑如图3.6所示。

图3.6 全桥ZVZCS电路拓扑
当1S、4S导通时，电源对变压器初级绕组正向充电，将能量提供给负载，同时，输出端钳位电容Cc充电。

当关断1S时，电源对1C充电，2C通过变压器初级绕组放电。

由于1C的存在，1S为零电压关断，此时变压器漏感k L和输出滤波电感o L串联，共同提供能量，由于Cc的存在使得变压器副边电压下降速度比原边慢，导致电位差并产生感应电动势作用于k L，加速了2
C的放电，为2S的零电压开通提供条件。

当Cc放电完全后，整流二极管全部导通续流，在续流期间原边电流已复位，此时关段4S，开通3S，由于漏感k L两边电流不能突变，所以4S为零电流关断，3S为零电流开通。

(2) 主电路工作过程分析[7]
半个周期内将全桥变换器的工作状态分为8种模式。

①模式1
S、4S导通，电源对变压器初级绕组正向充电，将能量提供给负载，同时，输出端箝1
位电容Cc充电。

输出滤波电感o L与漏感k L相比较大，视为恒流源，主电路简化图及等效电路图如图3.7所示。

图3.7 模式1主电路简化图及等效电路图
由上图可以得到如下方程：
p Cc o
s k
dI V V V L n n dt
=
++ (3-3) p c o I nI nI += (3-4)
Cc
c c
dV I C dt
=- (3-5) 由(3-3)式得：
2p Cc
k
d I dV nL dt dt
=- (3-6) 将(3-6)式代入(3-5)式得：
22
p c c k
d I I nC L dt = (3-7)
将(3-7)式代入(3-4)式得：
22
2
p p c k
o d I I n C L nI dt
+= (3-8)
解微分方程：
22
2p p o
c k
c k
d I I I nC L dt n C L +
=
(3-9) 其初始条件为：
(0)0Cc t V ==；(0)0c t I == （3-10）
代入方程解得：
()sin s o p o k V V n
I t t nI L ωω
-=
+ (3-11) ()sin p s o c o k I V V n
I t I t n nL ωω
-=-
=-
(3-12)
()()(1cos )Cc s o V t nV V t ω=-- (3-13)
（其中
ω=
）
② 模式2
当cos 1t ω=-时，()Cc V t 达到最大值，此时sin 0t ω=，()0c I t =，()p o I t nI =；二极管c D 关断，输出侧电流流经1D 、o L 、o C 、L R 、4D 和次级绕组，简化电路如图3.8所示。

此时满足：()p o I t nI =，()2()Cc s o V t nV V =-，r s V nV =。

图3.8 模式2简化电路图
③ 模式3
S1关断，原边电流从S1转移至C1和C2，C1充电，C2放电，简化电路如图3.9所示。

由于C1的存在，S1是零电压关断。

变压器原边漏感k L 和输出滤波电感o L 串联，共同提供能量，变压器原边电压ab V 和整流桥输出电压以相同的斜率线性下降，满足：13
()o
ab s nI V t V t C C =-
+。

图3.9 模式3简化电路图
④ 模式4
当整流桥输出电压r V 线性降至箝位电压Cc V 时，h D 导通，由于Cc 的存在使得变压器副边电压下降速度比原边慢，导致电位差并产生感应电动势作用于k L ，加速了2C 的放电，为2S 的零电压开通提供条件。

简化电路及等效电路如图3.10所示。

图3.10 模式4主电路简化图及等效电路图
由上图可建立如下方程：
22V p Cc
ab
k d d I dV n nL dt dt dt
=- (3-14) p c o I nI nI += (3-15)
12
V p ab d I dt
C C =-+ (3-16)
V Cc c c
d I C dt
=- (3-17)
将(3-14)式和(3-16)式代入(3-17)式得：
22
12
p p c c
c k
I d I I nC nC L C C dt =++ (3-18)
将(3-18)式代入(3-15)式得：
2222
12
c p p p c k
o n C I d I I n C L nI C C dt
+
+=+ (3-19)
解微分方程：
22122
212()p c o
p c k
c k
d I n C C C I I nC L dt n C C C L +++
=
+ (3-20) 其初始条件为：
(0)0c t I ==，Cc ab V nV = (3-21)
解得：
1212221212()(1)cos p o o c
c
C C C C I t nI t nI C C n C C C n C ω++=-
+
++++ (3-22)
322212122()
()sin ()o c k o o s o ab c c
nI n C L I nI t nV V V t t n
C C n C C C n C ωωω
--=
-
+
++++ (3-23) 222
2
1212()sin 2()()o
o Cc s o c c
n I n I V t t t nV V C C n C C C n C ωω
=
-
+-++++ (3-24)
（其中ω=
⑤ 模式5
2C 被放电完全，2S D 导通，此时开通2S ，由于2S D 的存在，2S 为零电压开通，变压器
原边电压ab V 为零，简化电路及等效电路如图3.11所示。

图3.11 模式5 主电路简化图及等效电路图
根据上图可建立如下方程：
p Cc
k
dI V L n dt
=- (3-25) p c o I nI nI += (3-26)
Cc
c dV I C
dt
=- (3-27) 将(3-25)式代入(3-27)式得：
22
p c c k
d I I nC L dt =- (3-28)
将(3-28)式代入(3-26)式得：
22
2
p p c k
o d I I n C L nI dt
+= (3-29)
设其初始条件为：
(0)p t I I α==，(0)Cc t V V α== (3-30)
代入方程解得：
()()cos sin p o o k V I t I nI t t nI nL α
αωωω
=--
+ (3-31) ()()sin cos Cc k o V t nL I nI t V t ααωωω=-+ (3-32)
(其中ω=
此模态结束时，原边电流降为0，整流侧电压为V β。

⑥ 模式6
原边电流复位到零后，c C 提供负载电流，二次侧整流桥输出电压迅速下降，满足：
()o
Cc I V t V t C
β=-
（3-33） 该模式的简化电路及等效电路如图3.12所示。

图3.12 模式6主电路简化图及等效电路图
⑦ 模式7
c C 被放电到零，整流二极管1D ～4D 全部导通，负载电流通过整流二极管续流，续流
期间关断4S ，由于原边电流已复位，因此4S 为零电流关断。

其简化电路如图3.13所示。

图3.13 模式7主电路简化电路图
⑧ 模式8
进入该模式时，3S 零电流导通，由于变压器漏感k L 两端电流不能突变，因此原边电流p I 线性增加，满足：
1
()s p k k
V I t udt t L L =
=⎰ (3-34) 其简化电路如图3.14所示。

图3.14 模式8主电路简化电路图。