適合于寬負載條件運行的有限雙極性軟開關(guān)DC／DC變

O 引言
全橋移相ZVS變換器近年來得到了廣泛關(guān)注，在中大功率的通訊電源和電力操作電源中得到廣泛的應(yīng)用。然而，這種控制方法有以下幾個明顯的缺點。
(1)滯后臂開關(guān)管在輕載下將失去零電壓開關(guān)功能；
(2)為了實現(xiàn)滯后臂的ZVS，必須在電路中串聯(lián)電感，這會引起占空比丟失，增人了原邊電流定額；
(3)原邊存在較大環(huán)流，增加了系統(tǒng)通態(tài)損耗。
為了解決這些問題，人們針對IGBT拖尾電流大的特點義提出了全橋移相ZVZCS變換器。其主要思路是超前臂實現(xiàn)ZVS，滯后臂實現(xiàn)ZCS，從而從根本上解決了原先全橋移相ZVS變換器中滯后臂零電壓開關(guān)困難的問題。由于不需要外加電感，占空比丟失問題隨之解決，環(huán)流也大大減小。實現(xiàn)滯后臂的ZCS目前主要有以下幾種辦法。
(1)副邊有源箝位的ZVZCS方法，但增加了成本，并由于需要復雜的隔離驅(qū)動而降低了可靠性；
(2)副邊無源箝位和原邊無源箝位；
(3)利用IGBT的反向雪崩擊穿電壓；
(4)原邊串聯(lián)飽和電感和隔直阻斷電容。
但移相控制本身還有一個難以克服的缺點，即死區(qū)時間不好調(diào)整。當負載較重時，由于環(huán)流大，超前臂功率管上并聯(lián)的電容放電較快，因此實現(xiàn)零電壓導通比較容易，但當負載較輕時，超前臂功率管上并聯(lián)的電容放電很慢，超前橋臂的開關(guān)管必須延時很長時間才能實現(xiàn)ZVS導通。傳統(tǒng)的移相控制很難調(diào)整這個死區(qū)時間。
本文研究了一種名為有限雙極性控制的控制方法，配合上面介紹的原邊串聯(lián)飽和電感和隔直電容的ZVZCS PWM全橋拓撲，可以在很寬的負載范圍內(nèi)實現(xiàn)超前臂的ZVS和滯后臂的ZCS。

1 ZVZCS PWM全橋電路有限雙極性控制原理分析
l.1 電路拓撲
有限雙極性控制ZVZCS PWM全橋電路拓撲如圖1所示。S1～S4共4個功率管(內(nèi)帶續(xù)流二極管)組成一個全橋電路。其中，S1、S2組成超前橋臂，兩端分別并聯(lián)吸收電容C1、C2、S3、S4組成滯后橋臂；Cb為隔直電容，Ls為飽和電感。

l.2 工作原理
改進傳統(tǒng)的移相PWM電路，采用有限雙極性的控制方法，超前臂與滯后臂同時開通，并且在超前臂與滯后臂之間串聯(lián)一個隔直電容Cb以及飽和電感Ls。飽和電感相當于一個開關(guān)，有電流的時候電感飽和，相當于短路；沒有電流或電流很小時，有較大電感。利用隔直電容在環(huán)流期間加速環(huán)流衰減，使得滯后臂實現(xiàn)零電流關(guān)斷，并且利用飽和電感Ls阻止LC振蕩電流反向(反向電流不足以使飽和電感飽和，其電感值很大)；在滯后臂開通時．由于飽和電感處于不飽和狀態(tài)，電流上升慢，實現(xiàn)零電流開通。圖2所示即為全橋有限雙極性控制時序及各主要變量響應(yīng)圖。其中，vgs1～vgs4為S1～S4管的驅(qū)動波形，Uab為ab兩點間電壓，ip為原邊電流。

1．2．1 模態(tài)1――功率傳輸
在t0～t1時刻，S1和S4導通，此時電流ip一方面通過變壓器原邊將電能傳輸?shù)截撦d，另一方面給阻斷電容cb充電，Ls處于飽和狀態(tài)，電容Cb電壓線性增加。Ip=I0/n恒定不變。如圖3所示。

1．2. 2 模態(tài)2――超前臂的零電壓關(guān)斷
超前臂S1于t1時刻關(guān)斷，原邊電流ip從S1中轉(zhuǎn)移到C1、C2支路中，C1充電，C2放電。因為C1電壓不能突變，開始時為零，實現(xiàn)S1的零電壓關(guān)斷；飽和電抗器流過電流，尚未退出飽和狀態(tài)，阻抗為零。當Uc2降到零，二極管D2續(xù)流，t2時刻S2上的電壓為零，為以后S2的零電壓開通做好準備。如圖4所示。

1.2.3 模態(tài)3――Cb阻斷環(huán)流
t2時刻，ip通過S4和D2續(xù)流，阻斷電容Cb的電壓上升到最大Ucpb。飽和電感Ls尚未退出飽和狀態(tài)。由于變壓器原邊的電壓為零，原邊電流小于副邊電流，副邊電感使整流二極管D5～D8均處于正向?qū)A段，變壓器原、副邊短路。Ucb全部加在變壓器漏感上。在阻斷電容Cb的作用下，原邊電流迅速下降。如圖5所示。

1.2.4 模態(tài)4――滯后臂零電壓零電流關(guān)斷
t3時ip下降為零時，在Ucb作用下ip反向變化，由于Ls退出飽和狀態(tài)，呈現(xiàn)大阻抗，所以阻斷電容電壓不變，S4仍然導通，但是沒有電流流過。t4時滯后臂S4零電壓零電流自然關(guān)斷。此叫不對負載傳輸功率。如圖6所示。

1.2.5 模態(tài)5――超前臂零電壓零電流開通、滯后臂零電流開通
t5時S2、S3同時開通。在導通的瞬間，由于Ls不飽和，其阻抗很大，電流上升速度緩慢。S2、S3處于零電流導通狀態(tài)。且開通時電容C2上的電壓基本等于零，所以超前臂S2實現(xiàn)了ZVZCS。這段時間內(nèi)，阻斷電容的電壓小變，原邊電流基本等于零，電源電壓加在飽和電感上，經(jīng)一段時間促使其飽和，然后電流再線性增加。
t6時刻，原邊電流上升到I0/n，副邊整流二極管D6和D7導通，完成對管間的切換回到模態(tài)l的工作狀態(tài)。如圖7所示。

以上是半個周期的工作情況，另一半情況相似。從上面可以看到，滯后臂處于零電流開通和零電流關(guān)斷；超前臂零電壓開通，關(guān)斷靠并聯(lián)在管子上的電容實現(xiàn)近似零電壓關(guān)斷。
1.3 全范圍實現(xiàn)ZVS和ZCS的約束條件
1.3.1 超前臂實現(xiàn)ZVS的條件
(1)超前臂的零電壓關(guān)斷
由于輸出外并電容的存在，可以控制關(guān)斷管的電壓上升速度。電容的容值越大，電壓的上升速度越慢，超前臂的零電壓關(guān)斷效果越好。
(2)超前臂實現(xiàn)零電壓開通的條件
模態(tài)2中C2的放電時間為

為了保證超前臂的零電壓開通，兩個超前臂的死區(qū)時問td(即t5一t4)必須滿足

td≥tr
當輕載時，C2放電需要的時間tr相應(yīng)增大，但輕載時有限雙極性控制的兩個超前臂的死區(qū)時間也相應(yīng)增大，從而克服了傳統(tǒng)移相控制死區(qū)不好調(diào)整的問題，因此C1、C2可較大，以改善超前臂零電壓關(guān)斷效果。
1.3.2 滯后臂實現(xiàn)ZCS的條件
由于飽和電感的存在，滯后臂開通瞬間，電路中電流上升速度緩慢，可視為零電流開通。ZCS實現(xiàn)的程度主要取決于飽和電感的阻晰時間(即充磁時間)。阻斷時間tm的計算如下。

式中：N為匝數(shù)：
Br為磁芯的飽和磁密：
Bs為磁芯的剩余磁密。

2 雙環(huán)控制原理及其實現(xiàn)
2.1 電壓電流雙環(huán)控制
傳統(tǒng)的方法采用電壓模式單閉環(huán)控制，這種控制方法響應(yīng)較慢，也不能對功率器件進行實時電流限制，為了實現(xiàn)電壓電流可控，平均電流模式采用雙閉環(huán)控制，其內(nèi)環(huán)控制輸出的平均電流，外環(huán)控制輸出電壓，提高了系統(tǒng)響應(yīng)速度。
2.2 控制電路設(shè)計
采用集成芯片UC3525外加運放構(gòu)成平均電流模式控制電路，并用外加邏輯電路的方式形成有限雙極性控制的4路控制信號。如圖8所示。

(1)外環(huán)控制 電壓給定信號與輸出電壓反饋信號經(jīng)運放U1補償比較得Ue，接到UC3525的內(nèi)部誤差放人器正相輸入端的腳2。當輸出電流超過給定限流值時，D11導通，Ue被箝在給定限流值上。
(2)內(nèi)環(huán)控制 采樣電阻檢測輸出電流，并通過電流檢測放大器得電流反饋信號。接到UC3525的內(nèi)部誤差放大器反相輸入端的腳1，與Ue進行比較。UC3525的腳9為反饋補償端。
(3)有限雙極性控制 UC3525的腳4為同步信號輸出，該信號作為D觸發(fā)器(U3)的時鐘信號，U3的Q端(腳1)和Q端(腳2)即可得到占空比為50％、相位相差180的兩組脈沖，S11、S12用于控制死區(qū)時間。

3 仿真與實驗驗證
這種有限雙極性控制的ZVZCS PWM全橋變換器，已應(yīng)用到一種15KW（300V/50A）電源模塊的設(shè)計當中。其主要技術(shù)參數(shù)如下。
輸入DC 430～650V直流；
輸出DC 170～340V：DC0～50A；
開關(guān)工作頻率20kHz；
死區(qū)時間1 μs；
隔直電容Cb=4 μF；
IGBT并聯(lián)電容C1=C2=22nF；
變壓器原副邊匝數(shù)比為15：13；
輸出濾波電感0.15mH；
輸出濾波電容2200μF。
3.l 仿真結(jié)果
額定功率下超前臂的ZVS波形如圖9所示。

滯后臂的ZCS波形如圖10所示。

實驗驗證了仿真結(jié)果的正確性。
3.2 實驗波形
當100％負載時，超前臂實現(xiàn)ZVS波形圖如圖11所示(管壓波形100V/div，驅(qū)動波形5V/div)。
從圖ll可看出，超前臂開通(即驅(qū)動信號為高)時，由于之前反并二極管續(xù)流的原因，管壓為零。超前臂關(guān)斷時，由于超前管上并聯(lián)電容的原因，管壓上升緩慢，基本實現(xiàn)超前臂ZVS。從圖11中超前臂管壓波形中可明顯看出，由于軟開關(guān)的實現(xiàn)，功率管上的電壓尖峰基本消除。
滯后臂實現(xiàn)ZCS波形圖如圖12所示。

滯后臂開通(即管壓從500V變?yōu)?V)時，由于飽和電感的存在，電流推遲2μs上升，實現(xiàn)零電流開通。而后超前臂關(guān)斷，由于隔直電容的存在，電流迅速衰減至零。為滯后臂的零電流關(guān)斷提供條件。圖12中，滯后臂ZCS實現(xiàn)十分理想，原邊電流環(huán)流衰減迅速，達到預期效果。
l0%負載時，超前臂實現(xiàn)ZVS波形圖如圖13所示。

由圖13可以看出，輕載時，原邊電流變小，并聯(lián)電容的充放電速度明顯減緩，反映在圖中即超前臂的管壓的上升下降沿變平緩。但此時超前臂的占空比也相應(yīng)減小，死區(qū)時間自動加長，為并聯(lián)電容提供了足夠長的放電時間，保證了超前臂的零電壓開通。關(guān)斷時，由于并聯(lián)電容充電緩慢的原因，使零電壓關(guān)斷的效果更加理想。
滯后臂實現(xiàn)ZCS波形圖如圖14所示。

輕載時，占空比相應(yīng)減小，為原邊電流衰減至零提供了充足的時間，保證了滯后臂ZCS的實現(xiàn)。
由以上各圖，可明顯看出有限雙極性控制在10％～lOO%負載范圍內(nèi)超前臂的ZVS和滯后臂的ZCS都實現(xiàn)得十分理想。且從原邊電流ip的波形上可明顯看出原邊環(huán)流衰減十分迅速，保證在較寬的負載范圍內(nèi)實現(xiàn)高效率，實驗證明整機效率可達94％。

4 結(jié)語
(1)采用有限雙極性控制的方法克服了移相控制死區(qū)調(diào)整困難的問題，使得超前臂可以在很寬的負載范圍內(nèi)實現(xiàn)ZVS。而且C1、C2可選取的范圍較大，大大改善了超前臂零電壓關(guān)斷的效果。
(2)由于飽和電感的存在，可以在全范圍內(nèi)實現(xiàn)滯后臂的ZCS。隔直電容用來減小環(huán)流。
(3)軟開關(guān)的實現(xiàn)，消除了開關(guān)管電壓尖峰，降低了開關(guān)損耗，可以在較寬的負載范圍內(nèi)實現(xiàn)高效率。