移相全桥零电压PWM软开关电路的研究

例ｌ ＺＶＳ全桥移相软开关整体电路 （１）状态１ ｔ。时刻以前，ＶＱ．，ＶＱ。导通，变换器 传输功率。变压器次级侧ＶＤ。，ＶＤ，导通。流过Ｃ。的 电流为ｉ凸。 （２）状态２ ｔ。时刻，关断ＶＱ。，电容Ｃ。，Ｃ，与 Ｌ。＋ｎ２Ｌ，产生谐振，ＶＱ．零电压关断。此时，谐振电感 与滤波电感串联即己．＋，ｔ宅，。因其能量大，故可认为初 级电流ｉ。近似于一个恒流源。电容Ｃ。的电压Ⅱｏ从
最大负峰值一‰，为ＶＱ，关断做准备。随后关断ＶＱ，，
开始另半周导通关断过程，其分析同状态１到状态６。
ｔ。时刻ｕ萨一‰，用ｔ弱表示￡一。的时间差，则有：
ｕａ（ｔ６）＝“凸（ｚ５）一—笋￡５６＝一￡，ｃｂｐ，￡，ｃｂｐ＝．毒鲁一ｔ铂 （２）
Ｌｂ
／一ｌ，ｂ
３．２占空比丢失现象
移相全桥ＺＶＳ电路存在占空比丢失现象，它总
ｃｏｎｖｅａｅｒ ｉｎ ｔｉｍｅ ｄｏｍａｉｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｒｅｓｏｎａｎｃｅ ａｒｅ ａｎａｌｙｅｄ．Ａ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｃｈｏｏｓｉｎｇ ｔｈｅ ｉｎｄｕｃｔｏｒ ａｎｄ ｔｈｅ ｃａｐａｃｉｔｏｒ ｉｓ ｇｉｖｅｎ．Ｉｎ ｖｉｅｗ ｏｆ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｄｕｔｙ ｃｉｒｃｌｅ ｌｏｓｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｄｅｌａｙ—ｔｉｍｅ，ｔｈｅ ｅｑｕｉｔａｂｌｅ ｍａｘｉｍｕｎ ｄｕｔｙ ｃｙｃｌｅ ｉｓ ｐｅｒｓｅｎｔｄ ａｎｄ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ．Ｔｈｅ ｒａｔｉｏｎａｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｉｓ ｔｅｓｔｅｄ ａｎｄ ｖｅｒｉｆｉｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｆｉｎａｌ．
４．１超前臂并联电容Ｃ。。Ｇ的选取
Ｔ／２－ｔｄｌ＝（５０００－－５２０）ｎ—ｓｘ４８００１１８，ＶＱ２，ＶＱ。共同导通时
忽略变压器初级绕组的匝间电容．超前臂ＶＱ．， 间为ｔｖｃｐ．，，ｒ－－ｔｖｏ菥瓦／：ｈ庐（５ ０００－２０８）ｎｓ＝４ ７９２ ｎｓ。
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万方数据
第４３卷第１期 ２００９年１月
电力电子技术
第４３卷第１期 ２（）（）９牟１月
电力电子技术 Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ
Ｖ０１．４３ Ｎｏ．１ Ｊａｎｕａｒｙ，２００９
移相全桥零电压ＰＷＭ软开关电路的研究
胡红林，李春华，邵 波
（黑龙江科技学院，黑龙江哈尔滨１５００２７）
摘要：介绍了移相令桥零电压ＰＷＭ软开关电路的组成及工作原理，从时域上详细分析了软开关的工作过程，阐述了
感的总和，肯定能满足超前臂电容的充放电能量。而
与滞后臂电容谐振的电感仅仅是初级串联的电感。
故要实现滞后臂的ＺＶＳ必须有下列关系式成立：
÷ＬｍｉＩｌ２≥２ｘ去ｃ２叫
（７）
压器次级仍被筘位，但ＶＤ，，ＶＤ。中电流开始减小， ＶＤ。，ＶＤ，中电流开始增大。
（６）状态６到ｔ，时刻，ｉ。开始向次级传输功率，
ＶＤ５，ＶＤｓ完全截止，ＶＤ６，ＶＤ。导通。到ｔ６时刻配西达到
Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ
Ｖ０１．４３ Ｎｏ。ｌ Ｊａｎｕａｒｙ．２００９
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图３移相实现软开管原理图
比仍有提高的余量．但必须要小于０．８５４ ４。 ６实验结果
软开关实现方式可分为零电流开关（ＺＣＳ）、零 电压开关（ＺＶＳ）和零电压零电流开关（ＺＶＺＣＳ）。该 类电路利用变压器漏感和功率管的结电容谐振以实 现软开关．避开了功率器件电流与电压同时处于较 高值的硬开关状态，减小了开关损耗以及辐射与干 扰。软开关电路的开关损耗低、电路效率高，因降低 了开通时的ｄｕ／ｄｔ，消除了寄生振荡，从而降低了电
在理论设计的基础上，试制一台全桥移相ＺＶＳ 软开关电源，控制芯片采用ＵＣ３８７９。其参数为：交流 输入电压９０—２６４ Ｖ．最大输出电压４００—５００ Ｖ，输出 功率为４ ｋＷ．满载效率达到９０％。图４示出试验波
பைடு நூலகம்
ｔ。时刻，ＶＱ。进入延迟时间，即ＶＱ。，ＶＱ３间的死 区时间，如时刻ＶＱ４进入延迟时间。由图３可知，
（４）状态４ ｔ２时刻，关断ＶＱ。，在ｃ４作用下， ＶＱ。零电压关断。为了减小占空比丢失，Ｌ，不宜太 大，因此ＶＱ：，ＶＱ。的死区时间不能取得太大。ｃ４两 端电压／ｇⅨ开始上升，ｔ，时刻Ⅱ仪上升为％，此后开 通ＶＱ：，则ＶＱ：实现零电压开通。
（５）状态５ ＶＱ２导通后，Ｕ．ｂ＝－－（Ｕｅｏ＋Ｕｉ。），Ｌｌｋ中电流
形。由图４ａ可见，ＵＣ３８７９的Ａ，Ｂ输出端波形反相： 由图４ｂ可清晰看到，变压器初级电流波形中有～电
ＶＱ．，ＶＱ。的移相时间＆岫爿一。，因Ｄ。＝０．７５，故ＶＱ．， 流跌落，表明谐振电感在续流，之后电流波形迅速反
ＶＱ４共同导通时间△ｆ．。哥４－￡３＿Ｚ≯，。拉＝３ ７５０ ｎｓ，￡４＝Ｅ／２＝ ５ ０００ ｎｓ，￡３＝１ ２５０ ｒｌ￥，则ＶＱ４关断时刻ｔ６＝ｔ３＋兀洳＝ （１ ２５０４４ ７９２）ｎｓ＝６ ０４２ １１５。而ＶＱ３开通时刻ｔｓ＝ＴＪ（２＋ ５２０）ｎｓ＝５ ５２０ ｎｓ。由电路实现超前臂零电压关断
定稿日期：２００８－０７一１４ 作者简介：胡红林（１９８１－），男，河北石家庄人，硕士研究生。
研究方向为开关电源功率变换器。
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万方数据
源的输出纹波．但当负载较小时，因谐振能量不足而 不能实现ＺＶＳ，效率明显下降，同时存在占空比丢失 现象，在重载时更为严重。为了能达到所要求的最大 输出功率，必须适当降低变比。而这又将增大初级电 流并加重开关器件的负担…。 ３ ＺＶＳ全桥移相软开关的原理 ３．１ ＺＶＳ全桥变换器工作原理‘卅
超前臂和滞后臂的谐振过程，依据能量交换守恒原理对谐振电感和谐振电容的选取进行了探讨。最后针对ＰＷＭ软
开关电路特有的占空比丢失以及实现软开关需要加入死区时间的现象。分析了移相全桥零电压ＰＷＭ软开关电路合
理的最大产ｉ空比并进行了计算。实验验证了谐振电感和电容取值的合理性。
关键词：变换器；移牛Ｉｊ电路；谐振／全桥：软开关
是发生在续流状态向输出功率状态转换结束时。从
开关管开通到变压器退出续流状态．变压器并不输
出电压，这一段时间即为丢失的占空比．表示为：
脏嚣
（３）
式中：ｉ。为次级电流。
４谐振元器件的选取
式中：Ｃ２＝Ｃ。＝Ｃ，’“ｃｔ。／３；Ｃｐ‘为ＶＱ：，ＶＱ。两端并联的电容值。 设计中取Ｃｐ＊＝１ ０００ｐＦ，该值小于超前臂ＶＱ。，
在开关电源中具有偕振开关和ＰＷＭ控制特点 的移相全桥零电压ＰＷＭ变换器得到了广泛应用． 该类变换器实现了零电压开关（ＺＶＳ）。减小了开关 损耗，提高了电源系统的稳定性。同时，电源可在较 高的开关频率下工作．因而大大减小了无源器件的 体积。但移相全桥ＺＶＳ电路存在对谐振电感和电容 的合理选择及占空比丢失的问题．这就要求ＺＶＳ软 开关有一个合理的最大占空比。 ２全桥移相软开关电路
零开始线性上升，电容Ｇ的电压１２。从％开始线性 下降。有：
移相全桥零电压ＰＷＭ软开关电路的研究
ｉｐ（ｔ）＝ｉ。（￡ｏ）兰ｊｆｌ
ｕ“咖缶（㈧ “班以ｎ一缶（Ｈ。）
ｒ（、 ） ＶＱ３并联的电容为Ｃ：，＝Ｃ３＝Ｃｐ＋！！３ｃＣ。 。一
（））
、’
（４１
式中：Ｃｐ为ＶＱ一，ＶＱ，实际并联电容值；Ｇ。为开关管寄生电容。
（ａ）放人后的ｕＣ３８７９驱动波肜
（ｂ），曼雎器初级电胜和电流波形
图４试验波形
提高占空比可以减小初级电流ｉ。，因而可选取 容量较小的管子，以节省成本。但由于死区时间的插 入，占空比必定有一个合理的最大值Ｄ。。提高占空 比就是增加ＶＱ，，ＶＱ。的共同导通时间。分析可知 ＶＱ．。ＶＱ。的共同导通时间主要受ＶＱ，零电压关断的 限制，即ＶＱ４必须在ＶＱ，开通后才能关断。当ＶＱ； 关断和ＶＱ，开通重合时，可求得ＶＱ，，ＶＱ。的最大共 同导通时间，若此时ＶＱ。的起始时刻ｔ３＞１．，则最大共 同导通时间为ｔ４－ｔ３，若ｈ＜ｔ。，则ＶＱ．，ＶＱ。的最大共同 导通时间为ｆ４－ｆ．。显然，当ＶＱ。关断与ＶＱ，开通重合 时，由图３算得ＶＱ。的起始时刻ｔ３＝ｔ５－４ ７９２＝（５ ５２０— ４７９２）ｎｓ＝７２８ ｎｓ＞ｔＩ＝５２０ｎｓ，ＶＱ，，ＶＱ。的最大共同导通 时间为ｔ４一ｔ３：（５ ０００－７２８）ｎｓ＝４ ２７２ ｒｌ￥，所以设计的理 论最大占空比Ｄ＝２（ｔ。一ｔ３）／Ｌ＝Ｏ．８５４ ４。设计中，占空
在Ｉｔ。，ｔ．１时间段内有：
ｒ
二
／．
．、
Ｉｌｕ／ｃｚｌｏ：ｊ（下￡ｉ）ｏ＝，‰（（ｔ￡－ｔｏｏ））＋，堡等“盟萨“一掣 Ｖ７
Ｌ
‘ｂｒ
二乙ｒ
到ｔ。时刻，Ｃ。充电到Ｕ。，ｃ３放电结束。如果在死
区时间里，Ｃ．，Ｃ，完成了充放电。则可实现超前臂的
零电压开通，但死区时间不能太长。否则在二极管续
图２ ＺＶＳ全桥变换器的主要工作波形
迅速减小到零并反向增长，即江（‰Ｕｉ。）Ａｔ／Ｌ。，Ｃ。反
向充电。由于ｉ。未达到向次级传输功率的临界值，变
Ｃ，进行充电，从而使ＶＱ，丧失零电压开通的条件。
实现ＶＱ。零电压关断需要有：
／ＺＣＩ＝—鲁ｔｄＪ．舌ｔｄｌ≥％ （６）
二乙ｌ
Ｚ凡ｂｌ
式中：￡ｍ为ＶＱ。，ＶＱ，死区时问；凡为变比。
要在全范围内实现超前臂的零电压开通．必须
５整机最大占空比合理－陛计算 由于在全桥移相ＺＶＳ软开关电路中加入了死
区延迟时间及存在占空比丢失现象．所以每路信号
的占空比小于５０％，下面以ＶＱ。关断，ＶＱ，开通为 例，分析死区及占空比选取的关系．并阐述移相实 现软开关的原理。移相软开关原理如图３所示。设
计＠Ｚ＝ｌｏｏ ｋＨｚ，ｔｄＪ＝５２０ ｎ８，ＶＱ：，ＶＱ。的死区时间ｔｄ２＝－ ２０８ ｎｓ，故实际ＶＱ。，ＶＱ３共同导通时间为￡砌。＝ｔｖＱ３，，ａ＝
中图分类号：ＴＭ４６
文献标识码：Ａ
文章编号：１０００－１００Ｘ（２００９）０１－００１２－０３
Ｒｅｓｅａｃｈ ｏｎ Ｐｈａｓｅ．ｓｈｉｆｔ．ｅｄ Ｆｕｌｌ－ｂｒｉｄｇｅ ＺＶＳ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ＨＵ Ｈｏｎｇ．１ｉｎ，１３ Ｃｈｕｎ．ｈｕａ，ＳＨＡ０ Ｂｏ
（Ｈｅｉｌｏｎｇｉａｎｇ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｈａｒｂｉｎ １５００２７，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｂａｓｉｃ ｔｈｅｏｒｉｅｓ ｏｆ ｐｈａｓｅ．ｓｈｉｆｔ ｆｕｌｌ ｂｒｉｄｇｅ ＺＶＳ ＰＷＭ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ａｒｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ＺＶＳ ＰＷＭ
图ｌ示出全桥电路。在一个开关周期中。移相控 制ＺＶＳ ＰＷＭ ＤＣ／ＤＣ全桥变换器有１２种开关状态． 其主要波形如图２所示。为便于分析，首先假设，：所， 有开关管、二极管、电感、电容均为理想器件：阻断
电容ｃｂ足够大；Ｃｌ＿Ｃ，＝Ｃｒ；ｎ２Ｌ，溉。。设厶为次级侧电
感Ｌ：的值，Ｌ。为￡，的电感量，且令Ｌｌ－ｈ。
流电流减小到零后，电容Ｃ。又会对已完成充放电的
ｔ。时刻，Ｃ．充电到Ｕ。，Ｃ，放电结束，“凸达到晟
大值魄，随后电感电压反向，ＹＤ，导通续流，此后开
通ＶＱ，可实现ＶＱ，的零电压开通。此时要求ｔａ＞
２Ｃ，Ｕｉ。ｌｉｅｓ。
（３）状态３ Ｃ，放电结束，谐振电感电压反向， 变压器初级电压反向，在厶和变压器次级电压的作 用下ＶＤ，～ＶＤ。同时导通。￡。单独给ｃｂ充电。ＶＤ，导 通续流，ＶＱ，零电压开通。由于ＶＤ，的续流作用，ＶＱ， 中无电流流过。
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ；ｐｈａｓｅ－ｓｈｉｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ；ｒｅｓｏｎａｎｃｅ，ｆｕｌｌ ｂｒｉｄｇｅ；ｓｏｆｔ ｓｗｉｔｃｈ
１引 言 随着中小型计算机的普及和航空航天技术、数
据交换系统及邮电通信等事业的迅猛发展．人们不 仅对电源装置的需求量日益增长．而且对其性能、体 积、效率、可靠性提出了更高的要求。开关电源以其 效率高、体积小、可靠性高等优点正逐渐取代传统的 线性电源。
Ｃ以．最，Ｃ小３，输即Ｃ出ｌ＝电Ｃｓ≤流，ｋ帆和幽最／（大２ｎ输‰）入。 电压以一来选取
４．２ 串联电感的取值及滞后臂并联电容的选取 在初级串联电感是为了使滞后臂实现ＺＶＳ。在
零电压全桥移相软开关电路中．滞后臂实现ＺＶＳ比
超前臂困难得多，这是因为超前臂的开关管开通关 断时参与谐振的电感为初级串联电感和次级反射电
条件可知，当开通ＶＱ，时，要求ＶＤ，，ＶＱ。的回路必 须畅通，此时ｔ６＞ｔ，，只要变压器初级串联电感量选取
合适，即可完全保证ＶＱ，的零电压关断。设计中选 ｔｄ：＝５２０ｎｓ，ｔ也＝２０８ｎｓ，Ｄ。＝０．７５是合理的。
向增大。表明开关管实现了零电压变换。
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ｔ／（２．５雌／格）ｔｌ（２．５ ｕｓ，十｝｝）
ＶＱ，两端所并电容Ｃ。。这样一方面可以减小初级串 联电感的电感量，减小占空比丢失：另一方面，取值 略大于开关管自身的寄生电容可减小管子之间的差 异。实际中，可根据实验波形对其进行调整。计算得
Ｌ一．２“Ｈ，实际取１０－－２０斗Ｈ。由于要兼顾轻载和重
载．同时电感在超前臂谐振和续流时有能量损失．故 实际中取值较计算值略大为宜。