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摘 要：详细分析了以电压电流型全桥电路为基础的移相PWM软开关实现方式，并通过附加反激电感与数字化软启动相结合的策略实现了低压侧的软启动。同时为变换器设计了一套以TMS320F28335为核心的数字控制系统。实验表明，移相全桥软开关技术能有效减少开关损耗，提升变换器的工作效率。
关键词：DC-DC 变换器；移相PWM控制；软开关
引言
DC-DC变换器正在朝着小型化、轻量化的方向发展，这就意味着需要工作在更高的频率。变换器的开关损耗是这一发展方向的难点所在。软开关（Soft Switching）技术的应用为这一问题提供了良好的解决方法。它的核心是通过使功率器件工作在零电压开关模式ZVS（Zero-Voltage-Switching）或零电流开关模式ZCS（Zero-Current-Switching），最大限度地降低开关损耗，软化功率器件在开通、关断时的性能，保护開关器件的安全，最终提高变换器的工作效率。
本文详细分析了移相全桥变换器实现软开关的基本原理，通过对拓扑的改进实现了低压侧的软启动。设计了以DSP28335为核心的数字控制系统。通过改变对管驱动信号PWM的移相角大小来调节输出电压和输出电流。
1 主电路工作原理
移相全桥软开关变换器的基本拓扑结构如图1所示。高压端Ubus为电压型全桥结构，低压Ubat侧为电流型全桥结构，两端整流/逆变单元的开关管上均并联二极管。变压器两侧绕组匝数分别为N1、N2，匝比为N1：N2=n；Lr1、Lr2分别为变压器两端的等效漏感或与外串谐振电感之和；电感L处于锂电池端，在本方向处于输出侧时，起到滤波电感平滑纹波的作用。在本方向处于输入侧时，则起到Boost电感的作用；C1、C2分别为两端滤波电容。
移相全桥软开关的基本原理为：同一个桥臂中的上、下开关管不能同时导通，所以，两管上的驱动信号存在死区，驱动波形一致但相位相隔180度。同时，前、后峭壁的对管驱动信号虽然脉冲宽度相同，但在导通时存在先后顺序，有一个相差，称之为移相角。通过调节移相角的大小，而不是驱动信号脉冲宽度，即可达到改变输出电压的效果。开关管K1、K3组成的桥臂为超前桥臂，驱动信号超前K2、K4组成的滞后桥臂一个相位。在开关管K1～K4上有反并联二极管D1～D4以及并联电容C1～C4，C1～C4能够在开关管关断时建立起两端电压，实现零电压关断。在开关管开通时，并联电容与Lr1谐振，将开关管两端电压变为零，从而实现零电压开通。
将电路的工作周期分为12个时区，前后半个周期的波形对称，因此只需要分析前6个时区，后半个周期工作情况也可推出。现在依次分析前半个周期的电路的工作情况以及软开关过程。
时区1[t0～t1]：t=t0时，K1关断，原边Lr1电感电流值达到最大，高压侧等效电感Lr1+n2L很大，原边电流近似不变，并从K1转到C1、C3。C3放电，C1从零电压开始充电，实现了K1的软关断。t=t1时，C3放电至零电压，C1充电到Ubus，VAB=VCD=0，D3开始导电，创造了K3的ZVS条件。副边由D5、D8整流后输出。在C1、C3充放电的期间：
（3）
时区2[t1～t2]：t=t1时，D3开始导电。t=t2时，K4关断。在此期间ip逐渐减小，但由于等效电感很大，所以依旧下降缓慢。到t=t2时，K4接受信号关断，ip=I2。t0～t2期间对应为前后两桥臂的移相角2π·fs·（t2-t0）。
时区3[t2～t3]：t=t2时，K4关断，ip转到C2、C4。C4从零电压开始充电，实现了K4的软关断。C2放电，VAB从0变为负值-VC4。t=t3时，C4充电到Ubus，C2放电到零，VAB为-Ubus，D2开始导电，创造了K2的ZVS条件。t2～t3期间，变压器原边电压反向，所以二次绕组的感应电动势使得D6、D7开始导通，则D5、D6、D7、D8均导通，VCD=0。
在t2～t3期间，原边电流ip与电容C2、C4的值分别为：
时区4[t3～t4]：t=t3时，D2导通。t=t4时，ip降为零。K2、K3导通。由于VAB为负，D5、D6、D7、D8均导通，变压器两端电压均为零，所以ip通过D2、D3为Ubus回馈能量。Ubus直接加在Lr1两端，使得ip线性下降，至t=t4时为零。
时区5[t4～t5]：t=t4时，ip降为零，而此时K2、K3已经导通，所以Ubus通过K2、K3加在Lr1两端并使得ip开始从零反向线性增加。t=t5时，ip=-I5。时区5期间，虽然变压器原边电压已经反向，但D6、D7不足以提供副边电流，所以D5、D6、D7、D8仍然同时导通，变压器依旧处于短路状态。
时区6[t5～t6]：在此期间原边通过K2、K3向副边传输能量。t=t6时，K3关断，半个周期结束，后半个周期的工作情况与前半个周期类似。
在充电运行模式时，原边对管同时道通时间越长，Ubus向副边传输的功率越多。
2 带反激电感的软启动方式
软启动方式能够有效限制启动时的过大电流，改善系统性能，防止输出值的超调。在双向全桥变换器工作在充电运行模式（降压方向）时，如果使用双极性控制方式，则应使开关管的占空比从零逐渐增加到要求的值。如果使用移相控制方式，应该把初始移相角先置为，然后根据控制方案改变移相角，最终稳定在目标值附近。
在双向全桥变换器工作在放电运行模式（升压方向）时，在启动阶段，由于高压侧电容上还没有能量，两端电压还没有建立起来。在电路启动的初始阶段，要避免四个开关管同时开通的情况，因为这样会使得低压侧锂电池电压都加在电感L两端，使得电感L的电流升高。当处于两管导通状态时，由于高压侧电压未建立，通过变压器折算到低压侧的电压Ubus/n小于Ubuat，电感L电流持续增大，不能实现磁复位。因此，为了限制这种过大的启动电流，必须采用软启动方式来解决。 针对放电运行模式（升压Boost方向），带反激电感启动方案，无需复杂控制，主要是通过反激电感在启动时将能量经过二极管传输到另一侧，将输出侧的电压逐渐建立。因此选用通过反激电感建立副边初始电压的的软启动方案。
带反激电感的拓扑如图3所示。副边电压的建立主要是由电感L的反激绕组来实现。虚线框中的反激电路元件主要有反激电感与其副边绕组，滤波电容，二极管等，十分简单明了。反激电感的变比为1：n。
放电运行模式软启动时，低压侧对管的PWM信号（K5K8、K6K7）各为一组，占空比相同，两组相位相差。占空比D的范围从0到1。当D<0.5并开始逐渐增加，变换器软启动。输出电压建立完成后，D>0.5，开始进入正常的放电运行模式。对其软启动过程的分析如下：
模態一：K5、K8导通，K6、K7关断，低压锂电池侧的电流回路如图中粗线所示。原理类似Buck电路，锂电池中的能量一部储存在电感L中，还有一部分由变压器转换传送到副边。通过电感L的电流逐渐增大
（6）
模态二：开关管全部关断，为了电流抑制变化，电感L的感应电动势瞬间反向，同时也影响了反激绕组副边的电压方向，此时满足二极管的开通条件，反激绕组中存储的能量经由二极管传递至副边，其等效电路如图中粗线部分所示，建立起了高压Bus端电压。反激电感中能量逐渐减少，电流逐渐降低，满足公式：
（7）
由以上两式可推出：
（8）
在正常工作时，反激电感的副边绕组由于二极管始终无法满足导通条件而不工作。输出电压Ubus为：
（9）
将D=0.5，带入以上两式，结果相同，所以启动模式结束后完全可以直接进入正常工作模式，两者之间可以实现无缝对接。
3 数字控制系统设计
数字控制器控制着整个双向DC-DC变换器的实时运行，负责整个系统的实时监测与控制。典型的开关电源数字控制系统主要由以下几个核心功能组成：反馈测量功能、运算控制功能、监控保护功能、通信传输功能。
本数字控制系统以美国德州仪器的TMS320F28335为主控芯片，利用DSP事件管理器中的全比较单元输出四路脉冲信号到驱动模块产生驱动电压信号到IGBT的门极。主要的硬件电路包括采样电路、驱动电路、通讯电路等。数字控制系统的基本结构如图4所示。
采样电路采用电压传感器、电流传感器和温度传感器，将外部的模拟信号转变为数字信号进入DSP的AD采样通道。电压传感器和电流传感器均选用原副边隔离器件，分别为霍尔电压传感器CHV-25P与霍尔电流传感器CHB-50SF。采样电路后均加二阶有源巴特沃兹低通滤波器来消除信号中的高频分量。温度传感器采用DS18B20一线式数字温度传感器。
驱动电路以CONCEPT公司的双通道驱动器2SCO435T为核心。每个模块有两个相互隔离的 驱动通道，并且可以设置死区，适合驱动同一个桥臂。支持多个驱动器的并联和多电平拓扑应用。驱动电平为+15V，关断时为-10V。还有短路保护、电压监控、有源钳位等多种功能。在栅极驱动端加上10k大电阻和18V的瞬态抑制二极管并联到门极和发射极以防止过高的栅极电压。
通讯电路由两部分组成，通过一路独立的SCI转485通讯线路，仅负责将变换器的运行信息参数发送给上位机；通过一路CAN通讯电路，可与其他变换器组成系统，接到CAN总线上，与上位机一起构成CAN通讯网络，负责接收上位机发送的运行指令以及上传自身的运行信息参数。485通讯模块选用周立功嵌入式隔离RS485收发器RSM3485CHT。CAN通讯模块选用高速CAN隔离收发器CTM1050T。两种模块分别与DSP28335内部的串行通讯接口引脚以及eCAN模块引脚相连。
4 总结
本文设计了一款软开关双向DC-DC变换器，采用了移相全桥ZVS软开关技术，详细分析了6个开关模态的电路情况以及软开关原理，并通过数字化与带反激电感相结合的方案实现了软启动。设计了基于TMS320F28335的数字控制系统，并对软开关与软启动效果进行了测试。实验表明，带反激电感的软启动方式有效软化了启动过程，移相全桥软开关技术的使用，有效降低了功耗，提高了系统的效率。
参考文献
[1]施贻蒙.5KW全桥软开关DC-DC电源[D].浙江：浙江大学，2008.
[2]王兆安，刘进军.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2009.
[3]郝世强， 全书海， 黄亮. 一种用于双向全桥 DC-DC 变换器的新型反激绕组设计方法[J]. 电源学报， 2012（2）： 25-31.
[4]王星云，王平，陈莲华.软开关技术发展现状的研究[J].装备制造技术，2008（10）：102～103.
关键词：DC-DC 变换器；移相PWM控制；软开关
引言
DC-DC变换器正在朝着小型化、轻量化的方向发展，这就意味着需要工作在更高的频率。变换器的开关损耗是这一发展方向的难点所在。软开关（Soft Switching）技术的应用为这一问题提供了良好的解决方法。它的核心是通过使功率器件工作在零电压开关模式ZVS（Zero-Voltage-Switching）或零电流开关模式ZCS（Zero-Current-Switching），最大限度地降低开关损耗，软化功率器件在开通、关断时的性能，保护開关器件的安全，最终提高变换器的工作效率。
本文详细分析了移相全桥变换器实现软开关的基本原理，通过对拓扑的改进实现了低压侧的软启动。设计了以DSP28335为核心的数字控制系统。通过改变对管驱动信号PWM的移相角大小来调节输出电压和输出电流。
1 主电路工作原理
移相全桥软开关变换器的基本拓扑结构如图1所示。高压端Ubus为电压型全桥结构，低压Ubat侧为电流型全桥结构，两端整流/逆变单元的开关管上均并联二极管。变压器两侧绕组匝数分别为N1、N2，匝比为N1：N2=n；Lr1、Lr2分别为变压器两端的等效漏感或与外串谐振电感之和；电感L处于锂电池端，在本方向处于输出侧时，起到滤波电感平滑纹波的作用。在本方向处于输入侧时，则起到Boost电感的作用；C1、C2分别为两端滤波电容。
移相全桥软开关的基本原理为：同一个桥臂中的上、下开关管不能同时导通，所以，两管上的驱动信号存在死区，驱动波形一致但相位相隔180度。同时，前、后峭壁的对管驱动信号虽然脉冲宽度相同，但在导通时存在先后顺序，有一个相差，称之为移相角。通过调节移相角的大小，而不是驱动信号脉冲宽度，即可达到改变输出电压的效果。开关管K1、K3组成的桥臂为超前桥臂，驱动信号超前K2、K4组成的滞后桥臂一个相位。在开关管K1～K4上有反并联二极管D1～D4以及并联电容C1～C4，C1～C4能够在开关管关断时建立起两端电压，实现零电压关断。在开关管开通时，并联电容与Lr1谐振，将开关管两端电压变为零，从而实现零电压开通。
将电路的工作周期分为12个时区，前后半个周期的波形对称，因此只需要分析前6个时区，后半个周期工作情况也可推出。现在依次分析前半个周期的电路的工作情况以及软开关过程。
时区1[t0～t1]：t=t0时，K1关断，原边Lr1电感电流值达到最大，高压侧等效电感Lr1+n2L很大，原边电流近似不变，并从K1转到C1、C3。C3放电，C1从零电压开始充电，实现了K1的软关断。t=t1时，C3放电至零电压，C1充电到Ubus，VAB=VCD=0，D3开始导电，创造了K3的ZVS条件。副边由D5、D8整流后输出。在C1、C3充放电的期间：
（3）
时区2[t1～t2]：t=t1时，D3开始导电。t=t2时，K4关断。在此期间ip逐渐减小，但由于等效电感很大，所以依旧下降缓慢。到t=t2时，K4接受信号关断，ip=I2。t0～t2期间对应为前后两桥臂的移相角2π·fs·（t2-t0）。
时区3[t2～t3]：t=t2时，K4关断，ip转到C2、C4。C4从零电压开始充电，实现了K4的软关断。C2放电，VAB从0变为负值-VC4。t=t3时，C4充电到Ubus，C2放电到零，VAB为-Ubus，D2开始导电，创造了K2的ZVS条件。t2～t3期间，变压器原边电压反向，所以二次绕组的感应电动势使得D6、D7开始导通，则D5、D6、D7、D8均导通，VCD=0。
在t2～t3期间，原边电流ip与电容C2、C4的值分别为：
时区4[t3～t4]：t=t3时，D2导通。t=t4时，ip降为零。K2、K3导通。由于VAB为负，D5、D6、D7、D8均导通，变压器两端电压均为零，所以ip通过D2、D3为Ubus回馈能量。Ubus直接加在Lr1两端，使得ip线性下降，至t=t4时为零。
时区5[t4～t5]：t=t4时，ip降为零，而此时K2、K3已经导通，所以Ubus通过K2、K3加在Lr1两端并使得ip开始从零反向线性增加。t=t5时，ip=-I5。时区5期间，虽然变压器原边电压已经反向，但D6、D7不足以提供副边电流，所以D5、D6、D7、D8仍然同时导通，变压器依旧处于短路状态。
时区6[t5～t6]：在此期间原边通过K2、K3向副边传输能量。t=t6时，K3关断，半个周期结束，后半个周期的工作情况与前半个周期类似。
在充电运行模式时，原边对管同时道通时间越长，Ubus向副边传输的功率越多。
2 带反激电感的软启动方式
软启动方式能够有效限制启动时的过大电流，改善系统性能，防止输出值的超调。在双向全桥变换器工作在充电运行模式（降压方向）时，如果使用双极性控制方式，则应使开关管的占空比从零逐渐增加到要求的值。如果使用移相控制方式，应该把初始移相角先置为，然后根据控制方案改变移相角，最终稳定在目标值附近。
在双向全桥变换器工作在放电运行模式（升压方向）时，在启动阶段，由于高压侧电容上还没有能量，两端电压还没有建立起来。在电路启动的初始阶段，要避免四个开关管同时开通的情况，因为这样会使得低压侧锂电池电压都加在电感L两端，使得电感L的电流升高。当处于两管导通状态时，由于高压侧电压未建立，通过变压器折算到低压侧的电压Ubus/n小于Ubuat，电感L电流持续增大，不能实现磁复位。因此，为了限制这种过大的启动电流，必须采用软启动方式来解决。 针对放电运行模式（升压Boost方向），带反激电感启动方案，无需复杂控制，主要是通过反激电感在启动时将能量经过二极管传输到另一侧，将输出侧的电压逐渐建立。因此选用通过反激电感建立副边初始电压的的软启动方案。
带反激电感的拓扑如图3所示。副边电压的建立主要是由电感L的反激绕组来实现。虚线框中的反激电路元件主要有反激电感与其副边绕组，滤波电容，二极管等，十分简单明了。反激电感的变比为1：n。
放电运行模式软启动时，低压侧对管的PWM信号（K5K8、K6K7）各为一组，占空比相同，两组相位相差。占空比D的范围从0到1。当D<0.5并开始逐渐增加，变换器软启动。输出电压建立完成后，D>0.5，开始进入正常的放电运行模式。对其软启动过程的分析如下：
模態一：K5、K8导通，K6、K7关断，低压锂电池侧的电流回路如图中粗线所示。原理类似Buck电路，锂电池中的能量一部储存在电感L中，还有一部分由变压器转换传送到副边。通过电感L的电流逐渐增大
（6）
模态二：开关管全部关断，为了电流抑制变化，电感L的感应电动势瞬间反向，同时也影响了反激绕组副边的电压方向，此时满足二极管的开通条件，反激绕组中存储的能量经由二极管传递至副边，其等效电路如图中粗线部分所示，建立起了高压Bus端电压。反激电感中能量逐渐减少，电流逐渐降低，满足公式：
（7）
由以上两式可推出：
（8）
在正常工作时，反激电感的副边绕组由于二极管始终无法满足导通条件而不工作。输出电压Ubus为：
（9）
将D=0.5，带入以上两式，结果相同，所以启动模式结束后完全可以直接进入正常工作模式，两者之间可以实现无缝对接。
3 数字控制系统设计
数字控制器控制着整个双向DC-DC变换器的实时运行，负责整个系统的实时监测与控制。典型的开关电源数字控制系统主要由以下几个核心功能组成：反馈测量功能、运算控制功能、监控保护功能、通信传输功能。
本数字控制系统以美国德州仪器的TMS320F28335为主控芯片，利用DSP事件管理器中的全比较单元输出四路脉冲信号到驱动模块产生驱动电压信号到IGBT的门极。主要的硬件电路包括采样电路、驱动电路、通讯电路等。数字控制系统的基本结构如图4所示。
采样电路采用电压传感器、电流传感器和温度传感器，将外部的模拟信号转变为数字信号进入DSP的AD采样通道。电压传感器和电流传感器均选用原副边隔离器件，分别为霍尔电压传感器CHV-25P与霍尔电流传感器CHB-50SF。采样电路后均加二阶有源巴特沃兹低通滤波器来消除信号中的高频分量。温度传感器采用DS18B20一线式数字温度传感器。
驱动电路以CONCEPT公司的双通道驱动器2SCO435T为核心。每个模块有两个相互隔离的 驱动通道，并且可以设置死区，适合驱动同一个桥臂。支持多个驱动器的并联和多电平拓扑应用。驱动电平为+15V，关断时为-10V。还有短路保护、电压监控、有源钳位等多种功能。在栅极驱动端加上10k大电阻和18V的瞬态抑制二极管并联到门极和发射极以防止过高的栅极电压。
通讯电路由两部分组成，通过一路独立的SCI转485通讯线路，仅负责将变换器的运行信息参数发送给上位机；通过一路CAN通讯电路，可与其他变换器组成系统，接到CAN总线上，与上位机一起构成CAN通讯网络，负责接收上位机发送的运行指令以及上传自身的运行信息参数。485通讯模块选用周立功嵌入式隔离RS485收发器RSM3485CHT。CAN通讯模块选用高速CAN隔离收发器CTM1050T。两种模块分别与DSP28335内部的串行通讯接口引脚以及eCAN模块引脚相连。
4 总结
本文设计了一款软开关双向DC-DC变换器，采用了移相全桥ZVS软开关技术，详细分析了6个开关模态的电路情况以及软开关原理，并通过数字化与带反激电感相结合的方案实现了软启动。设计了基于TMS320F28335的数字控制系统，并对软开关与软启动效果进行了测试。实验表明，带反激电感的软启动方式有效软化了启动过程，移相全桥软开关技术的使用，有效降低了功耗，提高了系统的效率。
参考文献
[1]施贻蒙.5KW全桥软开关DC-DC电源[D].浙江：浙江大学，2008.
[2]王兆安，刘进军.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2009.
[3]郝世强， 全书海， 黄亮. 一种用于双向全桥 DC-DC 变换器的新型反激绕组设计方法[J]. 电源学报， 2012（2）： 25-31.
[4]王星云，王平，陈莲华.软开关技术发展现状的研究[J].装备制造技术，2008（10）：102～103.