小電流紋波的ZVZCS全橋PWM變換器研究

摘要：為了減小輸出電流的紋波，在傳統(tǒng)的全橋移相零電壓零電流(ZVZCS)-PWM變換器的基礎上設計了一種優(yōu)化的變換器。通過在次級引入一個輔助電路，既能使超前臂實現(xiàn)ZVS，滯后臂實現(xiàn)ZCS，又能減小輸出電流紋波。輔助電路中無損耗元件和有源開關，能克服傳統(tǒng)變換器的缺點。該電路具有高效率，低損耗，小電流紋波和能帶大功率負載的優(yōu)點。根據(jù)電路特征和設計要求，選擇采用2．5 kW，100 kHz的IGBT作為基本元件研制了一臺實驗樣機，并驗證了該理論的正確性。
關鍵詞：變換器；零電壓零電流開關；電流紋波；移相全橋

1 引言
為了在高頻電路中使用IGBT，提出了ZVZCS全橋PWM變換器。ZVZCS由超前臂和滯后臂構成，超前臂實現(xiàn)了ZVS，滯后臂實現(xiàn)了ZCS。針對電流紋波會帶來很多弊端的問題，通過在變壓器次級引入一個輔助電路，不但滿足了ZVZCS的初始條件，還減小了電流紋波。為了能更好地實現(xiàn)zCS，采用在滯后臂串聯(lián)二極管的方法。優(yōu)化電路的優(yōu)點是沒有有損元件和外部電源，可減小能量的消耗并保證系統(tǒng)總的工作效率。此外，沒有大的能量流通且無二次寄生響應生成。

2 工作原理與設計
圖1示出優(yōu)化電路的拓撲。該拓撲在傳統(tǒng)變換器的基礎上加了一個輔助電路并在滯后臂串聯(lián)二極管來實現(xiàn)其功能。假設除特別指定元件，所有電阻、電感、電容和變壓器均為理想元件。

該電路在半個周期內(nèi)共有8個工作狀態(tài)，其工作原理簡述如下：
[t0～t1]階段 t0之前，VS2零電流開通。t0時刻，VS1和VS2導通，箝位電容Cc上的電壓uCc由于漏感的諧振從零開始增大。由耦合電感、Cc和二極管VDb組成的回路可保持對Cc持續(xù)充電，所以使得uCc=2uLo。加大uCc能更有效地加快初級電流ip的下降速度，并起到箝位電壓的作用。Cr使得次級整流二極管上漏感和節(jié)點電容沒有產(chǎn)生寄生響應。初級電壓uab、電流ip，次級電壓uCc、電流iC分別為：

[t1～t2]階段 uCc保持是Lo兩端電壓的兩倍。uab和ip保持不變，uab(t)=Uin，ip(t)=nIo。
[t2～t3]階段 VS1關斷，ip對C1充電，C3放電。uab減小，uCc按照n2／n1比率下降。uab線性下降，uab(t)=Uin-nIot／(C1+C3)，ip(t)=nIo。
[t3～t4]階段 當整流電壓等于uCc時，VDc導通，Cc維持整流電壓，整流側電壓減小速度比初級慢。LIK儲存的能量保持C1充電，C3放電(設Cc>>C1，C3)，故uab仍按照原始速率減小。該模式結束時，ip和uCc定義為iα，uα。
[t4～t5]階段 C3放電結束，二極管VD3導通，然后VS3開通，此時實現(xiàn)了ZVS。次級漏感電流和ip迅速下降，Cc提供能量。ip降至零時，整流側電壓定義為μβ。

[t5～t6]階段 ip被重置，整個初級側電路沒有電流流過。Cc提供整個電路的電流，因此整流電壓下降得很快。uCc(t)=-Iot／Cc+uβ。
[t6～t7]階段 VD2阻斷了ip反向環(huán)流，使得ip保持為零，這為滯后臂實現(xiàn)ZCS提供了十分必要的先決條件。Cc放電完畢，整流二極管全部導通，Lo提供整個回路的能量。該周期結束，VS2關斷，完成ZCS過程。
[t7～t8]階段 經(jīng)VS2，VS4死區(qū)時間后，VS4實現(xiàn)ZCS，這是因為漏感限制了ip上升速度，令其不能突變。ip線性增加，整流電壓為零。這是上半個工作周期，后半個工作周期與之相似。