作者： 華南理工大學(xué)電力學(xué)院雅達實驗室 王少華 何志偉 蔡毅

    摘    要：本文提出了一種副邊帶有源嵌位電路的PWM全橋變換器，實現(xiàn)了超前橋臂的零電壓開通和關(guān)斷，滯后橋臂的零電流開通和關(guān)斷，減少了占空比損失，并且克服了全橋變化器在環(huán)流過程中存在的環(huán)流損耗。應(yīng)用本拓撲制作了一臺功率1.2KW頻率100KHz的樣機。

　　關(guān)鍵詞：有源嵌位；移項控制；零電壓零電流；環(huán)流損耗

　　引言

　　目前，全橋變換器應(yīng)用于很多大功率場合，尤其是ZVS-FB-PWM變換器應(yīng)用更為廣泛。ZVS-FB-PWM變換器具有以下優(yōu)點：應(yīng)用移項控制，控制簡單；電壓、電流應(yīng)力小；功率密度大；開關(guān)管實現(xiàn)了軟開關(guān)，提高了電路的效率等。但它也存在著一些弊端：為了實現(xiàn)軟開關(guān)致使占空比損失，尤其是在開關(guān)過程中存在環(huán)流問題，產(chǎn)生了不必要的損耗，阻礙了電路效率的提高。本文提出了一種新穎的ZVZCS-FB-PWM變換器，有效地解決了ZVS-FB-PWM變換器存在的環(huán)流問題。

　 ZVZCS-FB-PWM變換器

   拓撲電路及工作原理

   ZVZCS-FB-PWM變換器的拓撲電路及工作波形分別如圖1和圖2所示。在一個開關(guān)周期中，該變換器有十六個開關(guān)狀態(tài)。在分析之前，作如下假設(shè)：所有開關(guān)管、二極管、電感、電容和變壓器均為理想器件；LS≥LLK；LS足夠大，在一個開關(guān)周期中，其電流基本保持不變?yōu)镮O。

    模式1：【t0-t1】

　　t0時刻，S1和S4同時導(dǎo)通，電容C5通過二極管D5充電。副邊電壓被嵌位在，在諧振過程中儲存在漏感中的能量傳遞到副邊，一次側(cè)電流IP可表示為：

　　其中n為原邊與副邊之比。通過C5的電流IC可表示為：

　　IC = C5的充電時間和變壓器的漏感LLK、Vin和C5有關(guān)。

　　模式2：【t1-t2】

　　t1時刻， C5的電壓達到最大值，D5截至。副邊電壓變?yōu)?能量通過S1、變壓器和S4傳遞給負載。

　　模式3：【t2-t3】

　　t2時刻，S1關(guān)斷，C1開始充電，C3開始放電。S1兩端的電壓為

　　如果C1和C3比較大，S1兩端的電壓在開關(guān)管關(guān)斷過程中被嵌位在零附近，因此S1為零電壓關(guān)斷。在這個過程中，副邊電壓也以IO/(C1+C3)的斜率下降。當(dāng)C1兩端的電壓上升到Vin,C3兩端的電壓下降到零后，S3的反并二極管D3導(dǎo)通，S3兩端的電壓被嵌位在零，此后可以開通S3，則S3為零電壓開通。S1和S3的死區(qū)時間Td應(yīng)滿足下面的條件才能實現(xiàn)超前橋臂的零點開通：

　　模式4：【t3-t4】

　　t3時刻開通S3，由于D3導(dǎo)通，S3兩端的電壓被嵌位在零，所以S3為零電壓開通。此時雖然S3已經(jīng)開通，但沒有電流流過。電流流過D3、變壓器和S4在原邊形成環(huán)流，造成了不必要的損耗，阻礙了電路效率的提高。在這個模態(tài)中，原邊電流IP可表示為：

　　其中VLK為加在變壓器漏感LLK兩端的電壓。可得，原邊電流下降為零所需要的時間Treset為：

　　為了使原邊電流迅速下降為零，在開通S3的同時開通S5。當(dāng)S5開通后，副邊電壓變?yōu)�，原邊電壓變�(yōu)�。使原邊電流迅速下降到零，減少了環(huán)流損耗，同時為滯后橋臂的零電流開通提供了條件。

　　模式5：【t4-t5】

　　t4時刻，原邊電流降到零，副邊整流二極管DS1關(guān)斷，電容C5通過S5為負載提供能量。

　　模式6：【t5-t6】

　　t5時刻，關(guān)斷S5，電容C5停止向負載提供能量。副邊電壓變?yōu)榱�，DS1和DS2同時導(dǎo)通進行續(xù)流。在此過程中沒有電流流過原邊。

　　模式7：【t6-t7】

　　t6時刻，關(guān)斷S4，此時沒有電流流過S4，因此S4為零電流關(guān)斷。因為IGBT中的少數(shù)載流子已經(jīng)被結(jié)合，所以沒有脫位電流存在。

　　模式8：【t7-t8】

　　t7時刻，開通S2，由于漏感LLK的存在，流過原邊的電流不能突變，因此開關(guān)管S2為零點壓開通。原邊電流IP可表示為：

　　此時原邊電流不能提供足夠大的負載電流，副邊整流二極管仍然同時導(dǎo)通進行續(xù)流。

　　模式9：【t8-t9】

　　t8時刻，原邊電流IP達到最大值，整流二極管DS1關(guān)斷。電源通過S3、變壓器和S2向負載傳遞能量。

　　以上為ZVZCS-FB-PWM變換器的半個周期，下半個周期的開關(guān)過程與上半個周期類似。

　　新拓撲電路的優(yōu)點

　　超前橋臂和滯后橋臂實現(xiàn)了

　　軟開關(guān)(ZVZCS)

　　該電路通過在前橋臂附加兩個電容實現(xiàn)了前橋臂的零電壓開通和關(guān)斷；在次級加上嵌位電路實現(xiàn)了后橋臂的零電流開通和關(guān)斷。與通常的ZVZCS-FB-DWM變換器相比，沒有加入阻性元件來實現(xiàn)軟開關(guān)，因此，避免了額外的損耗和占空比損失，并且減小了開關(guān)管的電壓應(yīng)力和電流應(yīng)力。

　　大大減少了環(huán)流損耗

　　在全橋環(huán)流過程中Treset跟VLK和漏感成正比。當(dāng)副邊沒有嵌位電路時，加在變壓器漏感LLK兩端的只是漏感自感電壓，一般只有幾十伏，導(dǎo)致Treset比較大，在此過程中會