一种ZVZCS软开关电源的应用

放电。这样就限制了 Ｔ１ 和 Ｔ４ 的电压上升率，实现了 Ｔ１ 和 Ｔ４ 的软关断。当 Ｃ１ 和 Ｃ４ 的电压上升到 Ｖｉｎ 时，Ｃ２ 和 Ｃ３ 的电压同 时下降为零，Ｔ２ 和 Ｔ３ 的反并二极管 Ｄ２ 和 Ｄ３ 导通，为 Ｔ２ 和 Ｔ３ 提供了零电压开通的条件。但是如果此时开通 Ｔ２ 和 Ｔ３，变压
现开关管的软开关。但是，若将斜对角两只开关管的导通时间
图 ４ 描绘了移相控制全桥变换器开关管 Ｔ４ 关断到 Ｔ２ 开
相对错开一个时间，即一只开关管提前开通一段时间，关断时
通这段时间变换器工作的状况。Ｔ４ 刚关断时，Ｃ４ 上电压基本为
间不变；另一只开关管开通时间不变，关断时间延时一段时间。
就会改善开关管的开关状态。将开关管 Ｔ１ 和 Ｔ３ 提前开通，并
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ÁÂÃÆÁÄÅÆÁÇÈÉÁ研究与设计
态，当 Ｔ１（Ｄ１）和 Ｔ２（Ｄ２）同时导通或 Ｔ３（Ｄ３）和 Ｔ４（Ｄ４）同时导通， Ｖａｂ＝０＝ （０）Ｖｉｎ。（３）－ｌ 状态，当 Ｔ２ 和 Ｔ３ 同时导通时，Ｖａｂ＝（－１） Ｖｉｎ。根据开关管的三种工作状态，全桥变换器三种切换方式： ①＋１／－１（或－１／＋１）；②＋１／０（或－１／０）；③０／＋１（或 ０／－１）。
定义 Ｔ１ 和 Ｔ３ 组成的桥臂为超前桥臂；开关管 Ｔ２ 和 Ｔ４ 滞后关
断，并定义 Ｔ２ 和 Ｔ４ 组成的桥臂为滞后桥臂。
采用移相控制方式时，如图 ２ 所示的电路中，当 Ｔ１、Ｔ４ 均
导通的时刻，变压器原边上的电压为（＋１）Ｖｄｃ，电流 ｉＦ 流过 Ｔ１、
变压器原边、Ｔ４。关断时，首先关断 Ｔ１，ｉＦ 给 Ｃ１ 充电，给 Ｃ３ 放
当 Ｃ３ 电压降到零时，Ｄ３ 自然导通，为 Ｔ３ 的零电压开通创造了 条件，此时提前开通 Ｔ３，Ｔ３ 的开通损耗基本为零。在此状态下， 变压器原边的电压为零，该切换方式为（＋１）／０ 切换方式。在斜 对角两只开关管工作时，Ｔ３ 的关断和 Ｔ１ 的开通，其工作原理 完全一样。
２．２ 全桥变换器中占空比丢失分析
ＸＵ Ｓｈｅｎｇ－ｈｕｉ１， ＷＥＩ Ｌａｎ－ｊｉｅ２ （１． Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｗｕｈａｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｗｕｈａｎ Ｈｕｂｅｉ ４３００７４， Ｃｈｉｎａ；
２． Ｃｈｉｎａ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｄｅｓｉｇｎ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ， Ｗｕｈａｎ Ｈｕｂｅｉ ４３００７４， Ｃｈｉｎａ）
图 １ 整体电路图
２ 移相控制软开关分析
２．１ 移相控制 Ｐ ＷＭ 软开关的实现
移相控制 ＰＷＭ 软开关主电路图如图 ２ 所示。根据四只开 关管的导通情况不同，ＤＣ／ＤＣ 全桥变换器存在 ＋１，０，－１ 三种 作用状态。讨论软开关的实现之前，有必要说明全桥变换器的 三种工作状态。（１）＋１ 状态，当 Ｔ１ 和 Ｔ４ 同时导通时，加在变压 器原边 ＡＢ 两点上的电压为正的输入电压，Ｖａｂ＝（＋１）Ｖｉｎ。（２）０ 状
三相桥式全控整流、功率因数校正和移相全桥零电压软开关 ＤＣ／ＤＣ 直流电源变换，重点在于软开关技术的应用，对全
桥变换的软开关电源进行了理论上的分析和实验研究。其中包括开关电源工作中开关损耗的产生原因、全桥式变换电
路控制方式的研究和分析、软开关实现方式、ＺＶＺＣＳ 软开关变换器主电路的分析与设计。最后对全桥变换的软开关电
在开关电源中［１－４］，开关采用软开关技术是减小电源损耗 和提高电源效率的有效手段。本文对软开关变换器［５－７］的电路 拓扑结构进行分析比较，选择了适合大功率电能转换的拓扑 全桥变换器电路进行研究，并对该种桥式变换器的控制方案 进行了分析，得出了 ＺＶＺＣＳＰＷＭ 全桥变换器的控制方式，详 细分析了如何在全桥结构上实现零电压开关和零电流开关等 问题。
容。
→i
如图 ３ 所示，描绘了全桥变换器开关管 Ｔ１ 断到开关管 Ｔ３
通这段时间的开关切换状况。图 ３（ａ）是 Ｔ１ 刚刚关断时，电容 Ｃ１
上的电压基本为零，Ｃ３ 上的电压为 Ｖｄｃ，变压器原边仍然向副
图 ２ 移相控制软开关主电路图
为了实现开关管的软开关特性，可以给它们分别并联吸 收电容，如图 ２ 所示的 Ｃ１～Ｃ４。当开关管关断时，原边电流给 关断管如 Ｔ１ 和 Ｔ４ 的并联电容 Ｃ１ 和 Ｃ４ 充电，同时给 Ｃ２ 和 Ｃ３
时，其并联电容 Ｃ２ 和 Ｃ３ 的电压不为零，其电荷就直接通过开
关管释放，电容的能量全部消耗在 Ｔ２ 和 Ｔ３ 中，导致开关管发
热，而且在开关管中产生开通电流尖峰，损坏开关管，也不能
实现软开关。从上面的分析可知，在斜对角两只开关管同时关
断的切换方式下，出现了 ＋１／－１ 或－１／＋ｌ 的切换方式，无法实
Ａｂｓ ｔｒａｃｔ： Ａ ｎｏｖｅｌ ａｄｖａｎｃｅｄ ＺＶＺＣＳ ｐｏｗｅｒ ｓ ｏｕｒｃｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｃｏｎｔｒｏｌ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｆｏｒ ｎａｔｕｒａｌ ｓ ｏｆｔ－ ｓ ｗｉｔｃｈｉｎｇ ｗａｓ ｐｒｅｓ ｅｎｔｅｄ ｂａｓ ｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｎａｔｕｒａｌ ｓ ｏｆｔ－ ｓ ｗｉｔｃｈｉｎｇ ａｃｔ－ ｓ ｔａｔｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｓ ｗｉｔｃｈｉｎｇ ｐｏｗｅｒ ｓ ｏｕｒｃｅ ． Ｔｈｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ｗａｓ ｃｏｍｐｏｓ ｅｄ ｏｆ ｔｈｒｅｅ－ ｐｈａｓ ｅ ｂｒｉｄｇｅ ｆｕｌｌ ｒｅｃｔｉｆｉｅｒ， ｐｏｗｅｒ ｆａｃｔｏｒ ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｐｈａｓ ｅ ｓ ｈｉｆｔ ｆｕｌｌ ｂｒｉｄｇｅ ＺＶ ｓ ｏｆｔ－ ｓ ｗｉｔｃｈｉｎｇ ＤＣ／ＤＣ ｔｒａｎｓ ｆｏｒｍ， ａｎｄ ｔｈｅ ｋｅｙ ｓ ｏｆｔ－ ｓ ｗｉｔｃｈｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｗａｓ ａｄｏｐｔｅｄ． Ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｓ ｏｕｒｃｅ ｏｆ ｆｕｌｌ ｂｒｉｄｇｅ ｔｒａｎｓ ｆｏｒｍ ｗａｓ ｐｒｏｃｅｓ ｓ ｅｄ ａｎｄ ａｎａｌｙｚｅｄ． Ｉｔ ｉｎｃｌｕｄｅｄ ｓ ｗｉｔｃｈｉｎｇ ｗａｓ ｔｅ ｃａｕｓ ｅ ｉｎ ｐｏｗｅｒ ｓ ｏｕｒｃｅ ｔｕｒｎｅｄ， ｆｕｌｌ ｂｒｉｄｇｅ ｔｒａｎｓ ｆｏｒｍ ｃｉｒｃｕｉｔ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｏｄｅ ｏｆ ｒｅｓ ｅａｒｃｈ ａｎｄ ａｎａｌｙｓ ｉｓ ， ｓ ｏｆｔ－ ｓ ｗｉｔｃｈｉｎｇ ａｃｔ－ ｓ ｔａｔｅ ， ＺＶＺＣＳ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｍａｉｎ ｃｉｒｃｕｉｔ ａｎａｌｙｚｅ ａｎｄ ｄｅｓ ｉｇｎ． Ｆｉｎａｌｌｙ， ｔｈｅ ｓ ｗｉｔｃｈｉｎｇ ｐｏｗｅｒ ｓ ｏｕｒｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｆｕｌｌ ｂｒｉｄｇｅ ｔｒａｎｓ ｆｏｒｍ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｗａｓ ｃｏｍｐｌｅｔｅｄ， ｗｈｉｃｈ ｄｅｍｏｎｓ ｔｒａｔｅｄ ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｃｔｎｅｓ ｓ ａｎｄ ｆｅａｓ ｉｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｏｐｏｓ ｅｄ ｓ ｃｈｅｍｅ ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ： ｒｅｃｔｉｆｉｅｒ； ｐｏｗｅｒ ｆａｃｔｏｒ ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ； ｐｈａｓ ｅ ｓ ｈｉｆｔ ｆｕｌｌ ｂｒｉｄｇｅ ； ｓ ｏｆｔ－ ｓ ｗｉｔｃｈｉｎｇ
收稿日期：２０１２－ ０９－ １７ 基金项目：国家自然科学基金（５０８０７０１９） 作者简介：许胜辉（１９６６—），男，湖北省人，副教授，硕士，主要研 究方向为自动控制技术。
功率因数校正（ＡＰＦＣ）。而采用的软开关变换技术，是为了提高 开关电源的效率和减少 ＥＭＩ。其整体电路图如图 １ 所示。图 １ 中，高频变压器二次侧有两个绕组并且相等，使得输出经 Ｄ５、 Ｄ６ 双半波整流后输出倍频 ＰＷＭ 直流电压。
研究与设计
一种 ＺＶＺＣＳ 软开关电源的应用
许胜辉 １， 魏岚婕 ２ （１．武汉职业技术学院 电信工程学院，湖北 武汉 ４３００７４； ２． 中建国际（深圳）设计顾问有限公司杨浦分公司，湖北 武汉 ４３００７４）
摘要：以拓展开关电源“软开关动作”状态为出发点，提出了一种先进的 ＺＶＺＣＳ 软开关电源的控制技术。其整体电路由
（３） Ｃ２ 上的电压下降到 ０ 所需要的时间为：
（４） ｔ２ 开关管驱动信号之间的死区时间。由上述超前桥臂和滞后桥 臂的死区时间看，开关管所能达到的最大占空比是：
（５） 而变压器副边由于占空比的丢失，副边占空比小于原边占空 比；产生占空比丢失的原因是：当滞后桥臂的开关管开通后，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，在这段时间里，虽然原边有正电压方波（或负电压方波），但 原边不足以提供负载电流，副边的两个整流二极管全部导通， 二极管处于续流状态，变压器原边电压钳位在 ０ Ｖ，直到原边 电流增加到大于 ｉＦ／Ｋ 后，原边开始向副边提供能量。这段时间 的工作状态以 Ｔ２ 开通为例，用图 ５ 描述。
（２）
ｔ１ 是开关管 Ｔ１ 和 Ｔ３ 驱动信号之间的死区时间，由式（２）可 知，当负载小的时候，ｉＦ 就小，ｔ１ 则变大，所以要保证超前桥臂 的零电压开通，Ｔ１ 和 Ｔ３ 驱动信号之间的延时时间应取小负载 时的计算值。
反向增加，Ｃ１ 和 Ｃ４ 放电，Ｃ２ 和 Ｃ３ 充电。那么当 Ｔ２ 和 Ｔ３ 开通
本文对 ＺＶＺＣＳ 全桥软开关电源进行了研究与设计，最后 进行了通过实验证明了所设计的开关电源控制系统性能优 良，能满足电源系统的需要。
１ 工作原理
本开关电源电路整体分为三部分［７］，三相桥式全控整流、 功率因数校正和移相控制 ＰＷＭ 软开关变换。整流是将交流电 转换成直流电，与此同时，为了减轻电网的污染，采用了有源
源进行了实验验证，证明了此种 ＺＶＺＣＳ 软开关电源的有效性和可行性。
关键词：整流；功率因数校正；移相全桥；软开关
中图分类号：ＴＭ ４６
文献标识码：Ａ
文章编号：１００２－ ０８７ Ｘ（２０１３）０４－ ０６２８－ ０５
Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ａ ｎｏｖｅｌ ＺＶＺＣＳ ｓｏｆｔ－ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｔｏ ｐｏｗｅｒ ｓｏｕｒｃｅ
电。由于 Ｃ１ 和 Ｃ３ 的存在，限制了 Ｔ１ 端电压的上升率，Ｔ１ 实现
பைடு நூலகம்
零电压关断。由于变压器漏感和滤波电感的存在 ｉＦ 近似不变。
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研究与设计
零，Ｃ２ 上电压为 Ｖｄｃ，原边电流 ｉＦ 由 Ｃ２、Ｃ４ 两条路径提供，即原 边电流 ｉＦ 用来抽走 Ｃ２ 上的电荷，同时又给 Ｃ４ 充电。由于 Ｃ２、 Ｃ４ 的存在，Ｔ４ 实现零电压关断。变压器原边绕组仍然被钳位在 ０ Ｖ，这段时间实际上是电容 Ｃ２、Ｃ４ 和电感 Ｌｉｋ 在谐振工作，Ｃ２ 上的电压为：
占空比丢失是移相控制 ＰＷＭ 变换器中一个特有的现象。 在变换器工作的零状态，必须有一段谐振时间使开关管实现 软开关。由于高频变压器漏感的存在也会使变压器副边产生 相对于原边的电压脉冲宽度减小现象。占空比丢失对变换器 的性能、效率有较大的影响，分析和研究开关死区、占空比减 小的原因及其影响是研究软开关 ＰＷＭ 移相控制的重要内
程中近似认为 ｉＦ 不变，类似于一个恒流源，Ｃ３ 上的电压为： （１）
Ｃ３ 上的电压下降到零所需要的时间为：
器原边出现的就是占空比为 １ 的交流方波电压，不能实现 ＰＷＭ 控制。
为了实现 ＰＷＭ 控制，在 Ｔ２ 和 Ｔ３ 的反并二极管 Ｄ２ 和 Ｄ３ 导通时，不能开通 Ｔ２ 和 Ｔ３。由于此时 Ｖａｂ＝（－１）Ｖｉｎ，原边电流 ｉＦ 将在此负电压的作用下减小，并且回到零。由于 ４ 只开关管都 处于关断状态，其并联电容就会与漏感产生谐振。原边电流 ｉＦ
在图 ２ 中，如果开关桥采取斜对角两只开关管同时关断 的方式，图中的 Ｌｉｋ 是主变压器的漏感。当 Ｔ１δＴ４（或 Ｔ２δＴ３）同时 关断时，由于 Ｌｉｋ 的存在，原边电流 ｉＦ 不会立即减小到零，这时 Ｔ１δＴ４（或 Ｔ２δＴ３）中的电流立即转到 Ｔ２δＴ３（或 Ｔ１δＴ４）中，Ｖａｂ＝（－１） Ｖｉｎ 中［或 Ｖａｂ＝（＋１）Ｖｉｎ］。出现 ＋１／－１（或－１／＋１）切换方式。这个电 压使原边电流减小到零。
边提供能量，根据电机学中变压器的分析方法，将变压器二次 侧负载折算到一次侧，由于滤波电感 Ｌｆ 很大，可以认为原边电 流 ｉＦ 近似不变。当变压器原边电压下降到不能提供副边能量 时，整流二极管 Ｄ５ 和 Ｄ６ 同时导通，将变压器原边电压钳位在 ０ Ｖ，此时的状态如图 ３（ｂ）所示，由于并联电容很小，在整个过