软开关全桥移相控制PWM变换器

1、 全桥变换电路全桥变换电路(Full-bridge converter)一般适合一般适合于中大功率应用场合，主要因为它具有电压、电流额定于中大功率应用场合，主要因为它具有电压、电流额定值较小，功率变换器利用率较高等优点。（值较小，功率变换器利用率较高等优点。（FB）ZVS-PWM在移相控制（在移相控制（Phase-shifted control PSC）基）基础上，利用础上，利用MOS管的输出电容和变压器漏感作为谐振管的输出电容和变压器漏感作为谐振元件，使元件，使FB-PWM变换器的四个开关管依次在零电压变换器的四个开关管依次在零电压下导通，电容作用下零电压关断，通过移相控制实现占下导通，电容

2、作用下零电压关断，通过移相控制实现占空比调节，从而实现恒频软开关。空比调节，从而实现恒频软开关。一、一、工作原理工作原理4-7 软开关全桥移相控制软开关全桥移相控制PWM变换器变换器Q1Q2Q3Q4Q1Q2Q3Q4Q1Q2Q3Q4全桥全桥PWM电路的控制方式电路的控制方式（1）双极性控制方式）双极性控制方式（2）移相控制方式）移相控制方式（3）有限双极性控制方式）有限双极性控制方式1（4）有限双极性控制方式）有限双极性控制方式2Q1Q2Q3Q4基本移相控制基本移相控制FB-ZVS-PWM变换器变换器aLfQ1R0CfVinQ4LrD1Q3Q2D2D4D3D5D6C2C4C3C1bT二、二、运行

3、过程分析运行过程分析tt1t3t2t0t4t50iptvrectttvdstvabQ4Q3Q2Q10t61、t0t1正向导通段正向导通段2、t1t2充放电阶段充放电阶段（超前臂）（超前臂） 3、t2t3零压开通续流零压开通续流阶段阶段 4、t3t4谐振充放电阶谐振充放电阶段（滞后臂）段（滞后臂） 5、t4t5电容充电阶段电容充电阶段6、t5t6电流换向阶段电流换向阶段tt1t3t2t0t4t50iptvrectttvdstvabQ4Q3Q2Q10t6（a）t0，t1Q1、Q4导通阶段导通阶段（b）t1，t2充放电阶段充放电阶段aLfQ1R0CfQ4LrD1Q3Q2D2D4D3D5D6C2C4C

4、3C1bTVinaLfQ1R0CfQ4LrD1Q3Q2D2D4D3D5D6C2C4C3C1bTVintt1t3t2t0t4t50iptvrectttvdstvabQ4Q3Q2Q10t6（c）t2，t3Q2零压开通续流阶段零压开通续流阶段（d）t3，t4谐振充放电阶段谐振充放电阶段aLfQ1R0CfQ4LrD1Q3Q2D2D4D3D5D6C2C4C3C1bTVinaLfQ1R0CfQ4LrD1Q3Q2D2D4D3D5D6C2C4C3C1bTVintt1t3t2t0t4t50iptvrectttvdstvabQ4Q3Q2Q10t6（e）t4，t5Q3开通续流阶段开通续流阶段（f）t5，t6电流换向

5、阶段电流换向阶段aLfQ1R0CfQ4LrD1Q3Q2D2D4D3D5D6C2C4C3C1bTVinLfQ1R0CfQ4LrD1Q3Q2D4D3D5D6C2C4C3C1bTVinaD2tt1t3t2t0t4t50iptvrectttvdstvabQ4Q3Q2Q10t6（e）t4，t5Q3开通续流阶段开通续流阶段（f）t5，t6电流换向阶段电流换向阶段aLfQ1R0CfQ4LrD1Q3Q2D2D4D3D5D6C2C4C3C1bTVinLfQ1R0CfQ4LrD1Q3Q2D4D3D5D6C2C4C3C1bTVinaD21、实现、实现ZVS的条件的条件 开关管由于输出结电容的作用，均为零电压关开关管

6、由于输出结电容的作用，均为零电压关 断。断。为了实现零电压导通必须满足两个条件：为了实现零电压导通必须满足两个条件：（1）通过谐振使将要导通管结电容完全放电（抽走附）通过谐振使将要导通管结电容完全放电（抽走附加电容上的电荷）；加电容上的电荷）；（2）同一桥臂导通与关断信号间的间隔应大于相应结）同一桥臂导通与关断信号间的间隔应大于相应结电容充放电时间。电容充放电时间。 即即 （7-1）三、三、几点讨论几点讨论2221VCVCEinTRini超前臂实现超前臂实现ZVS较容易：较容易：超前臂开关过程中，滤波电感与谐振电感串联，超前臂开关过程中，滤波电感与谐振电感串联，电感值较大，储能很容易使电容完成

7、充放电状态转电感值较大，储能很容易使电容完成充放电状态转换，即满足式（换，即满足式（7-1）。）。滞后臂实现滞后臂实现ZVS较困难：较困难：滞后臂开关过程中，变压器副边短路，负载侧滞后臂开关过程中，变压器副边短路，负载侧与变压器原边没有关系，此时用来实现与变压器原边没有关系，此时用来实现ZVS的能量的能量只是谐振电感中的能量：只是谐振电感中的能量：（7-2）所以滞后臂实现所以滞后臂实现ZVS较困难，负载较轻时，零电压较困难，负载较轻时，零电压功能丧失。功能丧失。22222121VCVCILinTRinlagr2、占空比的丢失、占空比的丢失FB-ZVS-PWM变换器中，变压器原边占空比与变换器中

8、，变压器原边占空比与副边电压占空比是不一样的。副边占空比丢失是副边副边电压占空比是不一样的。副边占空比丢失是副边占空比与原边占空比的差值：占空比与原边占空比的差值：原因：原边电流从正向（负向）变化到负向（正原因：原边电流从正向（负向）变化到负向（正向）时段，虽然原边有负电压方波，但不足以提供负向）时段，虽然原边有负电压方波，但不足以提供负载电流，副边载电流，副边D5、D6同时导通，故副边电压被箝位在同时导通，故副边电压被箝位在零，这样副边就出现了占空比损失零，这样副边就出现了占空比损失Dloss（丢失这部分（丢失这部分电压方波）。电压方波）。Lr越大，越大，Dloss越大；负载越大，越大；负载

9、越大，Dloss越大；越大；Vin越越低，低，Dloss越大。越大。DDDSPlosst1t3t2t0t4t50ipvrecttvdstvab0t6原边采用饱和电感结构原边采用饱和电感结构缩短换流时间缩短换流时间aLfQ1R0CfVinQ4LSD1Q3Q2D2D4D3D5D6C2C4C3C1bT3、优缺点分析、优缺点分析优点：优点：与常规全桥与常规全桥PWM变换器相比，移相式变换器相比，移相式FB-ZVS-PWM变换器取消了变换器取消了snubber电路，利用变压器电路，利用变压器漏感和开关管结电容谐振，通过移相控制方式使开漏感和开关管结电容谐振，通过移相控制方式使开关管实现了零电压导通与关断

10、，保持了恒频控制，关管实现了零电压导通与关断，保持了恒频控制，开关管的电流、电压应力没有增加。开关管的电流、电压应力没有增加。缺点缺点：（1）滞后臂在轻载下将失去零电压功能；滞后臂在轻载下将失去零电压功能；（2）原边有较大环流，影响变换效率；）原边有较大环流，影响变换效率；（3）副边存在占空比丢失；）副边存在占空比丢失；（4）输出整流二极管为硬开关，整流管两）输出整流二极管为硬开关，整流管两端会产生严重电压过冲及振荡现象，开关噪声较大。端会产生严重电压过冲及振荡现象，开关噪声较大。四、移相控制四、移相控制ZVZCSFB-PWMDC/DC变换器变换器由于由于MOSFET通态通态损耗较大，大功率场

11、合损耗较大，大功率场合宜选用宜选用IGBT。为减小。为减小IGBT关断时的电流拖尾关断时的电流拖尾，最好使其工作在零电，最好使其工作在零电流开关状态。流开关状态。ZVZCS可可实现超前臂实现超前臂ZVS，滞后，滞后臂臂ZCS开关。开关。结构上增加了阻断电结构上增加了阻断电容容Cb来复位原边电流，来复位原边电流，滞后臂串联二极管，切滞后臂串联二极管，切断断ip反向通路。反向通路。运行过程分析运行过程分析（a）t0时刻时刻Q1、Q4通，通，Cb充电充电（b）t0，t1Q1断，断，C1充电充电C3放电放电（c）t1，t2D3、Q4导通，导通， ip下降下降（d）t2，t3ip为零为零Vab=Vcbp

12、（e）t3，t4Q4零流断开零流断开Q2零流通零流通（f）t4，t5Cb反向充电，电流换向反向充电，电流换向1、实现滞后臂、实现滞后臂ZCS的条件：的条件：上式表明任意负载变化均可实现上式表明任意负载变化均可实现ZCS。2、滞后臂承受的电压应力、滞后臂承受的电压应力VQ2=Vin+VCbp3、阻断电容的选择、阻断电容的选择输出满载时电容电压峰值输出满载时电容电压峰值VCbp=20% VinTDCLtsyblk412UC3875的内部结构的内部结构UC3875控制器及其应用控制器及其应用原边加隔直电容原边加隔直电容副边加有源箝位副边加有源箝位饱和电感的损耗和冷却问题限制饱和电感的损耗和冷却问题限

13、制了最大输出功率；了最大输出功率；电容能量由原边提供，增加了原电容能量由原边提供，增加了原边电流应力，边电流应力，成本增加；成本增加；副边引入反向阻断电压源，电压源由副边引入反向阻断电压源，电压源由电容构成电容构成; ;电感无需预先储能，不增加原边电流电感无需预先储能，不增加原边电流应力；应力； 副边加耦合电感副边加耦合电感移相控制移相控制FB-ZVZCS-PWM变换器变换器引入一个与滤波电感耦合的辅助绕组，利用感应电动势作为反向引入一个与滤波电感耦合的辅助绕组，利用感应电动势作为反向阻断电压源，将原边电流复位至零；阻断电压源，将原边电流复位至零；辅助电感无需预先储能，不增加原边电流应力；辅助

14、电感无需预先储能，不增加原边电流应力；新拓扑具有良好的通用性，对不同箝位方式如阻容吸收、次级无新拓扑具有良好的通用性，对不同箝位方式如阻容吸收、次级无源箝位或有源箝位的全桥变换器均适用；源箝位或有源箝位的全桥变换器均适用；主开关管全部采用主开关管全部采用IGBT，工作频率提高至工作频率提高至100kHz，功率密度和功率密度和轻载效率显著提高；轻载效率显著提高； 新型新型FB-ZVZCS-PWM变换器拓扑变换器拓扑12345678工作模态等效电路工作模态等效电路工作波形工作波形工作模态及工作波形工作模态及工作波形续流阶段，原边电流被迅速复位至零，实现滞后桥臂功率管续流阶段，原边电流被迅速复位至零

15、，实现滞后桥臂功率管的零电流开关（的零电流开关（ZCSZCS）；）；原边电压、电流波形原边电压、电流波形原边电压、电流波形扩展原边电压、电流波形扩展实实验验结结果果-软开关过程软开关过程实实验验结结果果-软开关过程软开关过程在门极驱动信号到来前，超前桥臂功率管两端的电压已在死区在门极驱动信号到来前，超前桥臂功率管两端的电压已在死区时间内下降至零，因此超前桥臂功率管为零电压开通；时间内下降至零，因此超前桥臂功率管为零电压开通；超前桥臂功率管超前桥臂功率管ZVSZVS开通波形开通波形 超前桥臂功率管超前桥臂功率管ZVSZVS关断波形关断波形 采用次级有源箝位后，整流管电压过冲和振荡现象完全消失，抑采用次级有源箝位后，整流管电压过冲和振荡现象完全消失，抑制效果好；制效果好；续流阶段，耦合电感电流迅速上升至负载电流，原边电流同时复续流阶段，耦合电感电流迅速上升至负载电流，原边电流同时复位至零；位至零；变压器次级输出功率，整流电压箝位在箝位电容稳态值，抑制过变压器次级输出功率，整流电压箝位在箝位电容稳态值，抑制过冲和振荡。冲和振荡。整流电压、耦合电感电流整流电压、耦合电感电流箝位开关管驱动、电容电流波形箝位开关管驱动、电容电流波形S1