移相全橋零電壓PWM軟開關(guān)電路

文中介紹了移相全橋零電壓PWM軟開關(guān)電路組成及工作原理,并從時域上詳細分析了軟開關(guān)的工作過程,闡述了超前臂和滯后臂的諧振過程,最后給出了PWM款開關(guān)電路占空比丟失的原因和電路的能量轉(zhuǎn)換方式。

??? 關(guān)鍵詞：移相 軟開關(guān) 諧振技術(shù)

通信開關(guān)電源現(xiàn)在正在朝著大功率、小體積、高效率的趨勢發(fā)展,目前這一領(lǐng)域的研究熱點是采用新的軟開關(guān)電路來降低開關(guān)損耗和提高開關(guān)頻率。近幾年來,我國通信開關(guān)電源先后經(jīng)歷了PWM硬開關(guān)變換器,諧振變換器,零電壓準(zhǔn)諧振變換器和全橋零電壓PWM軟開關(guān)變換器四個階段。

1 軟開關(guān)電路

軟開關(guān)可分為零電流開關(guān)（ZCS）、零電壓開關(guān)（ZVS）和零電壓零電流開關(guān)（ZV-ZCS）等三種開關(guān)形式,又有軟開通和軟關(guān)斷兩種。普通PWM變換器以改變驅(qū)動信號的脈沖寬度來調(diào)節(jié)輸出電壓,且在功率開關(guān)管開關(guān)期間存在很大損耗,因此,這種硬開關(guān)電源的尖峰干擾大,可靠性差,效率低。而移相控制全橋軟開關(guān)電源則是通過改變兩臂對角線上下管驅(qū)動電壓移相角的大小來調(diào)節(jié)輸出電壓,這種方式是讓超前臂管柵壓領(lǐng)先于滯后臂管柵壓一個相位,并在IC控制端對同一橋臂的兩個反相驅(qū)動電壓設(shè)置不同的死區(qū)時間,同時巧妙地利用變壓器漏感和功率管的結(jié)電容和寄生電容來完成諧振過程以實現(xiàn)零電壓開通,從而錯開了功率器件電流與電壓同時處于較高值的硬開關(guān)狀態(tài),并有效克服了感性關(guān)斷電壓尖峰和容性開通時管溫過高的缺點,減少了開關(guān)損耗與干擾。

這種軟開關(guān)電路的特點如下：

（1）移相全橋軟開關(guān)電路可以降低開關(guān)損耗,提高電路效率。

（2）由于降低了開通過的du/dt,消除了寄生振蕩,從而降低了電源輸出的紋波,有利于噪聲濾波電路的簡化。

（3）當(dāng)負載較小時,由于諧振能量不足而不能實現(xiàn)零電壓開關(guān),因此效率將明顯下降。

（4）該軟開關(guān)電路存在占空比丟失現(xiàn)象,重載時更加嚴(yán)重,為了能達到所要求的最大輸出功率,則必須適當(dāng)降低變化,而這將導(dǎo)致初級電流的增加并加重開關(guān)器件的負擔(dān)。

（5）由于諧振電感與輸出整流二極管結(jié)電容形成振蕩,因此,整流二極管需要承受較高的峰值電壓。

2 工作原理

移相全橋零電壓PWM軟開關(guān)的實際電路如圖1所示。它由4只開關(guān)功率管S1、S2、S3、S4(MOSFET或IGBT)、4只反向并接的高速開關(guān)二極管D1、D2、D3、D4以及4只并聯(lián)電容C1、C2、C3、C4（包括開關(guān)功率管輸出結(jié)電容和外接吸收電容）組成,與硬開關(guān)PWM電路相比該電路僅多了一個代表變壓器的漏感與獨立電感之和的諧振電感Lr。零電壓開關(guān)的實質(zhì),就是在利用諧振過程中對并聯(lián)電容的充放電來讓某一橋臂電壓UA或UB快速升到電源電壓或者降到零值,從而使同一橋臂即將開通的并接二極管導(dǎo)通,并把該管的端電壓箝在0,為ZVS創(chuàng)造條件。電路中的4個開關(guān)功率管的開關(guān)控制波形如圖2所示。

該波形在一個周期內(nèi)被按時域分成了8個區(qū)間,每個區(qū)間代表電路工作的一個過程。除死區(qū)時間外,電路中總有兩個開關(guān)同時導(dǎo)通;共有四種組態(tài)：S1和S4、S1和S3、S2和S3、S2和S4,周而復(fù)始。由圖2可知,當(dāng)S1和S4、S2和S3組合時,即T0-T1、T4-T5時間段為工作電路輸出功率狀態(tài),而在S1和S3、S2和S4組合時,即T2-T3、T6-T7時間段為電路續(xù)流狀態(tài);T3-T4、T7-T8時間段內(nèi)為從續(xù)流狀態(tài)向輸出功率轉(zhuǎn)換的諧振過程;T1-T2、T5-T4時間段內(nèi)為從輸出功率狀態(tài)向續(xù)流狀態(tài)轉(zhuǎn)換的諧振過程,后四個區(qū)間稱為死區(qū),諧振過程都發(fā)生在死區(qū)里,死區(qū)時間由控制器來設(shè)置。

下面具體分析各個區(qū)間的工作原理。

2.1 輸出功率狀態(tài)1（T0-T1）

假如初始狀態(tài)為T0-T1區(qū)間,那么,此刻的功率開關(guān)管S1、S4都處于導(dǎo)通狀態(tài),A、B兩點間的電壓為U,初級電流從初始Ip點線性上升,變壓器次級感應(yīng)的電壓將使DR2導(dǎo)通,DR1截止,輸出電流經(jīng)DR2流向輸出電感,并在電容儲能后給負載提供電流,到達T1時刻時,輸出功率狀態(tài)1過程結(jié)束。

2.2 超前臂諧振過程1（T1-T2）

當(dāng)T1時刻到來時,開關(guān)管S4由導(dǎo)通變?yōu)榻刂?存儲在電感的能量對C4進行充電,同時C3放電以使B點的電壓漸漸升高,當(dāng)C4的電壓充到U時,D3導(dǎo)通,開關(guān)功率S3的源漏電壓為0,從而為開關(guān)功率管S3零電壓的開通準(zhǔn)備了條件。因為次級輸出電感參與諧振,等效電感為k2L,所以電感儲能充足,很容易使B點達以U值,故超前臂容易實現(xiàn)零電壓開通。

在這一過程中參與諧振的電容量為C3和C4的并聯(lián),電感量為Lr與次級感應(yīng)的串聯(lián)電感量。即：

C=C3+C4,L=Lr+k2L

超前臂諧振過程的微分方程如下：

LC（d2Uc/dt2）+Uc=kU0

其中初始狀態(tài)的Uc(0)=U,iLr(0)=I0/k。

2.3 續(xù)流狀態(tài)1（T2-T3）

由于開關(guān)功率管S1、S3都導(dǎo)通,此時A點與B點的電位皆為U,變壓器初始處于短路狀態(tài)而不輸出功率。從T2時刻起,輸出電感L兩段端的電壓極性變反,輸出電感由儲能狀態(tài)變?yōu)榉拍軤顟B(tài),負載由輸出電感和輸出電容提供電流,相應(yīng)的變壓器的初級電流仍按原方向流動,進入續(xù)流狀態(tài)后,電流略有下降。變壓器初始電流通過開關(guān)功率管和二極管使開關(guān)功率管的損耗得以減小。

2.4 滯后臂諧振過程1（T3-T4）

當(dāng)T3時刻到來時,開關(guān)管S1由導(dǎo)通變?yōu)榻刂?儲能電感對C1開始充電,同時,電容C2開始放電使A點的電壓逐漸下降,直到C2的電壓為0使D2導(dǎo)通。從而為開關(guān)功率管S2的零電壓導(dǎo)通準(zhǔn)備了條件。在這一過程中,參與諧振的電容量為C1和C2的并聯(lián),電感僅為Lr,即C=C1+C2,L=Lr

滯后臂諧振過程的微分方程為：

LC（d2Uc/dt2）+Uc=0

其中初始狀態(tài)時的Uc(0)=0,iLr(0)=I0/k。

在這一過程中,由于只有Lr參與諧振,而諧振開始時如果Lr的電流Ilr較小,Lr儲能不夠,那么電容C的諧振電壓Uc的峰值就有可能達不到U,這樣二極管將不能導(dǎo)通,其對應(yīng)的開關(guān)就不能實現(xiàn)零電壓開通。為了使電容的諧振電壓峰值能夠達到U,電感的儲能必須足夠高,因此在諧振開始時,電感Lr的電流Ilr必須滿足：

1/2（Li2Lr）=1/2(CU2)

這一等式就是設(shè)計諧振電感Lr的依據(jù)。

2.5 輸出功率狀態(tài)2（T4-T5）

此過程時,開關(guān)功率管S2、S3導(dǎo)通,變壓器初始電流從B流向A,AB兩點電壓為-U,變壓器次級感應(yīng)電壓使DR1處于導(dǎo)通狀態(tài),并通過DR1為輸出電感、電容儲能。

2.6 超前臂諧振狀態(tài)2（T5-T6）

此過程中,開關(guān)功率管S3由導(dǎo)通變?yōu)榻刂?電容C3開始充電,電容C4開始放電,B點電壓逐漸下降到0,為開關(guān)功率管S4的零電壓開通準(zhǔn)備條件。

2.7 續(xù)流狀態(tài)2（T6-T7）

此時,A、B兩端電壓為0,初級電流按原方向流動,電流強度逐漸減小,變壓器次級的DR2仍處于導(dǎo)通狀態(tài),以維持電感給負載所提供的電流。

2.8 滯后臂諧過程2(T7-T8)

在T7時刻,開關(guān)功率管S2從導(dǎo)通變?yōu)榻刂?電容C2開始充電,而電容C1開始放電使A點的電壓逐漸上升到U,從而二極管D1導(dǎo)通,為開關(guān)功率管S1的零電壓開通準(zhǔn)備了條件。至此,一個周期結(jié)束。

3 電路分析

3.1 兩個諧振過程的比較

在輸出功率狀態(tài)向續(xù)流狀態(tài)轉(zhuǎn)換的諧振過程中,由于其電感大（L=Lr+k2L）,儲能多,因此負載電流在很小時便可以使電容電壓諧振到零,因此,相位超前的兩個橋臂開關(guān)S3、S4很容易實現(xiàn)零電壓開通。

而在續(xù)流狀態(tài)向輸出功率狀態(tài)轉(zhuǎn)換的諧振過程中,其電感較小,只有Lr參與諧振。所以儲能小,負載電流零達到一定值才可以使電容電壓諧振到U,因此,相位滯后的兩個橋臂S1、S2不太容易實現(xiàn)零電壓開通。

為了使后者容易實現(xiàn)零電壓開通,在設(shè)計開關(guān)功率管控制信號時,應(yīng)使滯后臂的死區(qū)時間大于超前臂的死區(qū)時間,并使C1、C2的值小于C3、C4.

3.2 占空比丟失現(xiàn)象

移相全橋零電壓PWM軟開關(guān)電路有一個特殊現(xiàn)象就是占空比的丟失。它總是發(fā)生在續(xù)流狀態(tài)向輸出功率狀態(tài)轉(zhuǎn)換結(jié)束時。在T4時刻,開關(guān)功率管S2剛開通,諧振電感Lr的電流剛剛衰減到零或尚未衰減到零,變壓器初級處于續(xù)流狀態(tài),其兩端的電壓為零,諧振電感Lr承受的電壓為U,其電流反向逐漸增大,只有當(dāng)其電流增大到I0/k時,變壓器才退出續(xù)流狀態(tài),兩端的電壓才升到U,電感Lr中的電流才不再增大。這樣,從S2開通到變壓器退出續(xù)流狀態(tài),變壓器并不輸出電壓,這一段時間即為丟失的占空比,其占空比為：

ΔD=2LrI0/（kUT）

從式中可以看出,諧振電感Lr越大,負載電流I0越大,占空比丟失也越嚴(yán)重。占空比丟失現(xiàn)象將直接導(dǎo)致開關(guān)功率管的損耗增大,故必須采取措施加以克服,目前通常采用減小變比來實現(xiàn)。

3.3 能量轉(zhuǎn)換

該移相全橋零電壓PWM軟開關(guān)電路在主變壓器（原邊）初級串聯(lián)附加了諧振電感,從而促進了電路中滯后臂實現(xiàn)ZVS。因同一橋臂的兩只并聯(lián)電容在開關(guān)轉(zhuǎn)換時的充放電能量將達到Wc=1/2（CU2）,即一充一放的電容儲能變化達CU2,這么大的電場能量需用電感中的磁能來轉(zhuǎn)換。為了順利完成并聯(lián)電容的充放電,使并接二極管導(dǎo)通箝位。電路中設(shè)計了足夠大的電感來幫助電容器中電荷實現(xiàn)轉(zhuǎn)變,電路中的Lr、L的作用就在于此。

4 結(jié)束語

??? 同普通全橋相比,移相全橋軟開關(guān)電路具有開關(guān)損耗低,電路效率高的優(yōu)點,但也存在缺點,如何在保留其優(yōu)點的基礎(chǔ)上改進它的缺點還需要進一步研究。