,1带饱和电感的移相全桥零电压开关PWM变换器

基于饱和电抗器的ZCZVS移相全桥DC-DC变换器马骜;黄铂;王朋【摘要】零电压电流开关(ZCZVS)控制的DC/DC变换器在中大功率应用场合应用逐渐广泛,其较宽的开关范围及较低的损耗等优点令人瞩目.本文介绍了基于饱和电抗器的ZCZVS移相全桥的工作原理及基于UC3875的移相驱动和控制系统,并用该芯片完成一台输出50V/20A的ZCZVS移相全桥DC/DC变换器的样机设计,给出了电路主要参数的设计和初步的实验结果.【期刊名称】《电子设计工程》【年(卷),期】2014(022)009【总页数】4页(P173-176)【关键词】饱和电抗器;移相全桥;直流-直流变换器;零电压电流开关【作者】马骜;黄铂;王朋【作者单位】武汉科技大学城市学院,湖北武汉430083;武汉大学湖北武汉430072;武汉大学湖北武汉430072【正文语种】中文【中图分类】TN709直流电源在许多场合都发挥着重要作用，作为直流电源的一个重要环节，DC/DC 变换器的性能很大程度上决定了直流电源的成本和可靠性。

DC/DC变换器有多种结构，根据电源的功率需求，选择合适的变换器拓扑结构。

基本DC/DC变换器（如：Buck、Boost、Buck/Boost、Forward 等变换器）只应用在小功率场合，而在中大功率场合，一般采用半桥或全桥变换器。

全桥变换器是一种先经DC/AC高频逆变，再经AC/DC不控整流的两级DC/DC变换器。

高频变压器把直流负载与交流电网隔离，高频变压器输出侧直流LC滤波器重量和体积不大，输出直流电压纹波小，动态特性好，全桥变换器已成为较大功率DC/DC变换器的最佳技术方案之一[1]。

经过几十年的发展，在中大功率应用中，移相全桥软开关DC/DC变换器逐渐成熟，已成为DC/DC变换器的主流，与其他DC/DC变换器相比，移相全桥软开关拓扑结构充分利用了电路本身的寄生参数，通过控制PWM脉冲的相位使开关管工作在软开关状态，降低了开关损耗，提高了变换器的效率。

2010年3月电工技术学报Vol.25 No. 3 第25卷第3期TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Mar. 2010一种辅助电流可控的移相全桥零电压开关PWM变换器张欣陈武阮新波（南京航空航天大学航空电源航空科技重点实验室南京 210016）摘要提出了一种辅助电流可控的移相全桥零电压开关(Zero-Voltage-Switching, ZVS) PWM 变换器，它在传统全桥变换器的基础上加入了由电感和开关管构成的辅助网络，从而可以在宽电压输入和全负载范围内实现一次侧开关管的ZVS。

和传统的ZVS技术相比，该变换器实现滞后桥臂ZVS的辅助能量是受负载电流控制的：辅助电感的电流值随着负载电流值的变化而变化，使得变换器在全负载范围内不但实现了滞后桥臂ZVS，还明显减小了辅助网络的导通损耗，优化了电路效率。

本文阐述了电路的工作原理，详细地讨论了辅助网络的参数设计，并通过一台1kW/54V，100kHz的样机进行了实验验证。

关键词：全桥变换器 软开关 零电压开关 辅助电感中图分类号：TM46A Novel ZVS PWM Phase-Shifted Full-Bridge ConverterWith Controlled Auxiliary CircuitZhang Xin Chen Wu Ruan Xinbo(Nanjing University of Aeronautics and Astronautics Nanjing210016China) Abstract A novel PWM phase-shifted full-bridge converter with controlled auxiliary circuit is proposed featuring zero-voltage-switching (ZVS) of active switches over a wide range of input voltage and output load. In contrast to conventional techniques, the current through the auxiliary inductor of the proposed converter is controlled by the load current. Therefore, the ZVS operation over the wide conversion range is achieved without significantly increasing full-load conduction loss. The principle of the operation is described and the consideration in the design of auxiliary circuit are discussed.Performance of the proposed converter is verified with experiment results on 1kW, 100 kHz full-bridge converter.Keywords：Full-bridge converter, soft-switching, zero-voltage-switching, auxiliary inductor1引言目前很多行业标准（如“能源之星”标准）都从节能的角度对变换器效率提出了严格的要求，希望变换器在整个负载范围内，尤其是在轻载时仍可以高效工作[1]。

PWM变换器的技术知识移相全桥零电压开关(ZVS)PWM变换器已广泛应用于大功率开关电源中，它保持了准谐振电路开关损耗小、工作于固定开关频率的优点，且与普通硬开关全桥电路相比，仅增加了一个谐振电感。

在换流时利用谐振实现开关器件的ZVS，消除了开关损耗，提高了电路效率，使电路能工作在更高的频率[3]。

移相全桥ZVS PWM变换器只能在有限的负载范围内实现所有开关器件的ZVS。

要在大的负载范围内实现所有开关器件的ZVS，可在变压器原边串联一个大电感，或增加变压器漏感，或外接一个电感。

电感的增加对变换器性能有相当大的影响，会引起占空比的丢失。

同时，输出整流管存在反向恢复过程，在输出整流管上产生电压尖峰和电压振荡[4]。

在变压器副边加无源RCD缓冲器或在原边加两个箝位二极管和一个谐振电感可解决副边整流管上存在的电压振荡，但都无法解决占空比丢失的问题。

国内外学者提出了一些电路拓扑，利用储存在辅助电路电感中的能量来实现原边所有开关管的ZVS，不仅减少了占空比丢失和抑制了输出整流管上的电压尖峰和电压振荡，且能在更宽的负载范围内实现所有开关管的ZVS。

文献10提出了一种新的移相全桥变换器拓扑结构(如图1)。

该拓扑结构解决了硬开关全桥电路输出整流管上存在电压尖峰和电压振荡的问题，减少了占空比丢失，能在全负载范围内实现所有开关器件的ZVS，并能根据负载情况自动调节由辅助电路供给的能量。

但存在如下缺点：在续流期间，电路中环流非常大，损耗严重，降低了变换器效率。

最大程度减轻了存在的环流问题。

2改进后的拓扑结构介绍2.1与原电路拓扑结构的比较改进后的拓扑结构如图2所示。

与原电路拓扑结构的不同之处：在变压器TRA与变压器Tk的连线上加了一个双向开关Q1和相应的驱动电路。

控制电路根据检测到的负载电流的大小做出相应的决策：(1)当负载电流大于滞后桥臂实现ZVS所要求的值时，不会控制双向开关Q 导通。

D和Df，不会在续流期间导通，避免不必要的能量损耗。

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( 电力电子技术} 0 0年第 2期 202 0 . 004推挽隔离式 B O T变换器的分析与研究 O S/ A a sadR sac IP s—u o tdB s 0 vr r n l n eerhO uhp l I l e O. T c n et Ⅷi 1 ls a e/挥戢鞴釉加f摘要: 研究了推挽隔离式 B OS O T变换器. 论上分析了连续模式下的推挽隔离式 BX S 理 () T电路的一些主要性质.理论和实验都表明, 在低电压输入 , 较大功率输出的变换器中. 该电路具有实用意义.Ab ta t Ths p p rd s r e h e ~r h o u h p l ioa e OOS c n e r f m c u p l a in o f sr c : i a e e ci s t e rs c fp s - u l s ltd B b T x v ~e r 3 o a t M a pi t S me o c o i ot n r p r i n p o o e ~ r e Ll r i g i e u n e - te & e a My e e r n x e i n ~ r s l mp ra t o e t s o r p s d 3 v r -wo kn n s q e c d p tr r n z d Th o y a d e p r p e l c a n me t e u t s1 引言() t～t 时间内,2时刻 V 3在 2 3 t 2再次导通 ,目前讨论较多的" 高频链 " 技术 _或高频隔离技储存能量 . 1 () t～f 时间内,3 4在 3 4 t 时刻 V 截止 ,】 u 1 e与术_ 都是通过前级高频隔离变换及变压器按一定 2, 2 _通过初级线圈 N 向次级传递能量 . 2 的匝比来满足后一级的解调输出电压的需要 .有叠加 , 整个工作过程是 : 存储能量一升压向变压器时, 在输入电压较低 ( 比如航空标准电源是 2 V) 功 7 ,率输出较大情况下 , 如果按 B K…变换器设计前次级输出传递能量一存储能量一升压向变压器 UC 级, 则初级开关器件的电流应力很大 , 开关电流冲击次级输出传递能量 .及开关损耗也较大 , 效率难以提高 .本文就是针对这种情况研究推挽隔离式 B O T变换器的一些性 O S质.f a )() b2 原理电路图 1 推挽隔离式 B OS 变换器的原理图. 是 O Tf) c为了求解方便 , 次级输出为直流 . 它与推挽隔离设式 B K 变换器不同的是多了一个升压电感 . UC图 2是开关管 v的驱动波形 , B K变换器与 UC不同的是, 两管驱动渡形占空比 D 都大于其5% . 0 一有一段公共导通部分 .图 2 主要波形3 简要理论分析以下分析均指流过 L 岫的电流连续的情况.3 1 电压增益 .图 1 原理电路由文献 [ ] 1及图 2可知 , 在储能阶段 , 占空其比为 :D2 D 一1 =2 () 1其工作原理是 : () 1 在 o 1 间内. V 均导通 .后面的～时 V 2分析将表明. 这段时间内变压器初级相当于短路 ,储能.电流连续时,△ l=l 且△与△ 2 l l △ 2, J 分别为 :=( ) t～f 时间内,1 2在 2 t 时刻截止 . 两端产生的感应电势与 u 叠加 , 通过初级线圈 N 向次级传递能量.Ai = 2譬 T( 1一D) T( 2 】() 3( 电力电子技术) 00年第 2期 20 式中 U 0 ——次级直流电压折算到初级时的半均电雎2 0 . 00 4L2 M L 代 ^ 式 ( J : 9得.等效电路如图 3 所示 , a 由式 ( ) ( ) 1 i i 2 ,3 及 A i = J il 2得到 : A U' o M ==( : )+f. f+ (. ) +f 1 + ) ( 0 1)1=() 4则初级电压与输出电压的增益为 :M : U. () 5由图 3 及关系式 U = U.( a 0 2 1一D) 得变压器初可级在传递能量时间内的峰值电压为 :Up = = () 6一z( ) 2f =f f+ 一f (. ) ( . ) r+由换路定理 :,( + =f (. ) 1 ) 2 + =10 + = 1f L( . )～( 1 1)() f: 加 )+In变压器次级线圈两端的峰值电压为 :) ( . ):(] 7图 3 在 t～t 时间内的等效电路 , 是 1 2 图中 R 为次级折算到初级的等效电阻, t 时刻 , 2 止, 设 l v 截 v 继续导通, 电路方程为 : 1 得图 3 B O T工作等效电路 O S加百( x U I- sL +~i( ) 2 ￡ =0式中 r =L/ R> 1 3 )3 2 初级工作电流电路工作过程分为两段 , 3 图 b为 0 t 时间～ 1内的等效电路 ( V1V 均导通 )设在￡时刻 u0 即 ,2 , 0导通 , 可得电路方程为 :(t + dt = u i j当开关周期远小于电路的电磁常数时, 1) 式(3写为 :L( ) t ) 一( 一U / f :i =f ( f .R )≤ 1(4 1)i( ) 2 t :od + dt = U . f1+ ' = 0… () 8根据式 (2,1 ) 1 )(4 得及 v1v2 电流变化曲 , 的线如图 2 , d所示. c2i i i 2= i L式中审. o =L iL ( l = LQ +L1 l ) 一肼 233 几点结论 . () 1 由式( ) 知变压器次级脉冲方波幅度随 D 5可变化 , 越大,D 脉冲越窄 , 出幅度越高, 输其输出功率审2 ( L∞ +L )z 2 i —Mi 1L-L ——变压器初级电感 ,z L j L.——初级蒲感 o, 2M ——互感系数按 fNj ][ .( 一 ] / [ N.· U/ 1 D) I R调节. ()UC 2 B K变换器的管峰值电流可用下式计算 :f P U. ) j( D ( D<05 ) (5 1) B OS O T变换器的开关器件的峰值电流可用下式计算 :f :[ 0 ( ) ( 一D) p P / U D ]1式中 P ——输出功率 o～设变压器严格对称绕制 , L =L =L, o = 即 1 2 L 1 L =LQ将上述参数代入式( ) : m , 8得.2 o+ L q十 L一 M ( L ～¨0 + , ) )一 .( D>0 5 .)( 6 1)2咎 ( 0 , ) L L …. ' 0 QLM …十十一 , 0 . 十2 0+ L 一 ,' 一 j — ! Q 十 L 一 M + I( . 一 I(. ) L t一) 1t+ O , 0() 9效率所以 ,O T变换器开关器件的电流应力要小 B OS 于 B K 变换器的开关应力 . UC() 3 由式 (2 可以看出, 1) 当开关管 v , 都导 1 又假定变压器是理想的, 为紧耦合 , L =0 L. 通时, 且即 , 变换器初级相当于短路 . 它是因为 L , 产 1k 推挽隔离式 B OS O T变换器的分析与研究2 v, =5 7 L. mH, 4 图 a为 Vlv2 开关管的电流渡 , 两生的磁通在磁路中相互抵消造成的. () 4 由图 2 ,d可以看出 , c2 开关管 v1 的开通形 , 图中可以看出两开关管工作在 B O T 升压 , 从 O S 冲击电流较小. 和推挽输出两种不同的状态时开关管电流应力分配4 实验结果图 4是所研制的某航空电源的实验波形 .状态 .图 4 的下图波形为电感工作在连续状态 b中下电流渡形. 上图是对应的一个开关管的电流波形, 图中可以看出. 从电感中的电流在开关管中得到了平均分配 .与图 3中理论分析的电流波形基本一5 格 mu致.参考文献5A/ 0 格1 李晓帆. 李善忠差频式高频链逆变电路华中理工大学学报 .9 82 (2 :0 5 19 .6 1 )5 ～52 张胜发 . P S wM 高频调制电路 [ 硕士论文空军雷达学院 .94 19 .5A 格 0/3 张占橙. 频开关稳压电源广州 : 东科技出版社, 高广19 9210 / 5A~r4 张占松, 蔡宣三开关电源原理与设计北京 : 电子工业出版社收稿日期 :990 — 1 9 .601图 4 实验波形主开关管采用 I B , 作频率为 2 k z U G T工 0H .作者简升范植 : 1 7 年 4月生 , 士研究生 . 研究方向为电力电于技采及电力拖动 . 男, 9 1 硕定稿日期 9 9 1 —0 1 9 —1 1( 接 1 上 4页)经实测 , 采用带饱和电感的移相全桥零电压开关P WM 变换器和采用传统电路时的整机电源在 2 %负载和 10 0 0 %负载时的效率如下表所示衰 1 整机电源效率() 5 由于饱和电感的饱和电流值不可能为零 . 空载时饱和电感没有进入饱和状态 , 电感量很大 , 滞后桥臂和超前桥臂开关管均处于硬开关状态.参考文献负载2 0%带饱和电感8 8% 6.传统电路83. 4%l Hu G. Ch . An I r v d F l B ig Z r - l g - a mp o e ul rd e - eo Vo t e a S th wi e PW M o v r e ig a S t r b eI d c o EEE cd C n e t rUsn a u a I n u t r I 1 0% 08 3 8. %8 8 5%5 结论T a o . . 9 3 8 4 : 3 ～5 4 r ~ nP E. 1 9 . ( ) 5 0 3 r2 h .G ae eo Vot eTrn io J Br g C oJ G I BT b sdZ r [ g a s in Fl1 i e a t 1 d PW M o v re o g o r Ap l a in I o C n et r fr Hi h P we p i t s EE Prc c o 与传统电路相比, 带饱和电感的移相全桥零电压开关 P WM 变换器有以下几个特点 : ()0 12 %负载时, 滞后桥臂和超前桥臂可实现零电压开关, 提高了效率 .Eet P w rA p 1 9 . 4 ( )4 5 8 . [ r o e p 1. 9 6 1 3 6 :7 ～4 0 c3 S ts JHa d a An lssa d De in o au a 1 Re co ao h me . a i n sg fa S t r 1 e y 0 atrA~i e S f—wi hn F lB ig DC/ C C n etr s d otS t ig ul rd e t c - D o vre I EE TrT . E . 9 4 9 3 :0 E a1 P s 1 9 . ( ) 3 9～ 3 7. 14 Ch .G .Z r- otg n oJ e V l ea d o a()0 %负载时, 2 10 占空比损失与 2 %负载时相 0 同, 并没有因为软开关范围的扩大而增加占空比损失.Bi e W M net o g o r p lai s IE r g d P o C vr ~f e r hP we A pctn E E i o Trm . , 9 6 1 ( ) 6 2～ 6 7. a P E 1 9 . 1 4 :2 2() 3续流期间环流能量大为减小.() 4 大大减小了次级二极管上由于初级电感和收稿日期 :9 90 — 1 1 9 —70 定稿日期 :9 91 —8 1 9 .2 2二极管结电容引起的寄生低频振荡 .作者简介李剑 : . 9 5 9月生 . 士生. 研究方向为电力电于与电力传动 . 17 年硕1。

第22卷第4期2003年10月电工电能新技术Advanced Technology of Electrical Engineering and EnergyVol.22,No.4Oct.2003带输出饱和电感的零电压开关PWM 三电平直流变换器刘学超,张 波(华南理工大学电力学院雅达电源实验室,广东广州 510640)摘要:本文针对常规的零电压三电平直流变换器存在滞后桥臂全负载范围实现零电压困难,副边占空比丢失,输出二极管的寄生震荡及电压尖峰等问题,提出了输出带钴基非晶饱和电感的零电压三电平变换器。

实验样机表明,采用电流峰值控制后,能有效弥补传统零电压三电平不足,易于实现中大功率DC DC 变换。

关键词:饱和电感;零电压开关;三电平中图分类号:TM461 文献标识码:A 文章编号:1003 3076(2003)04 0073 04收稿日期:2002 12 16基金项目:广东省科技计划项目电力电子专项重点项目资助(2002A1050103)作者简介:刘学超(1977 ),男,贵州籍,博士生,主攻交直流开关电源;张 波(1962 ),男,福建籍,教授,博士生导师,主攻交直流电源及电机运行控制。

1 引言目前,在中大功率通信DC/DC 电源中,三电平直流变换器(Three Level DC/DC Converter)成为学者研究的热点[1,2],该拓扑使开关管电压应力为输入直流电压的一半,这在三相带PFC 输入的场合(输出直流电压一般为800~1000V)是一个极大的优势,它可使低压开关器件用于高压上。

实际上,三电平电路是半桥电路的延伸,但与半桥电路相比,三电平变换器巧妙结合移相电路的特点,利用变压器漏感(或外加谐振电感)和开关管的寄生结电容谐振实现开关管的ZVS 。

与传统的移相全桥ZVS 软开关一样,零电压三电平变换器滞后臂很难全负载范围实现Z VS,并且存在占空比丢失等问题。

针对ZVS 三电平电路不足,国内外学者提出了零电压零电流(ZVZCS)三电平变换器[3],其中两只实现开关管的ZVS,另外的两只实现开关管的ZCS 。