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摘要：提出了一种新的零电压零电流移相全桥PWM控制变换器。在这个拓扑结构基础上，详细分析了该变换器的工作时序和工作状态。与以往的全桥开关变压器相比，所提出的变压器具有电路结构简单、整机效率高以及电流环自适应调整等优点，这使得它特别适合高压大功率的应用场合。
关键词：全桥变压器；零电压开关；零电流开关；ZVZCS
1 引言
在中小功率的场合，功率器件一般选用MOSFET，这是因为MOSFET的开关速度快，可以提高开关频率，采用ZVS方式，就可将开关损耗减小到较为理想的程度。而在高压大功率的场合，IGBT更为合适。但IGBT的最大的缺点是具有较大的开关损耗，要想在ZVS方式下减少关断损耗，则必须加大IGBT的并联电容。然而由于轻载时ZVS很难实现，因此ZVS方案对于IGBT来说并不理想。
本文提出了一种基于全桥变换器的ZVZCS控制方法。采用IGBT作为功率开关、有限双极性控制方式，网络拓扑如图1所示。Q1～Q4四个开关管组成一个全桥电路。ZVZCS全桥PWM变换器实现了一个桥臂的零电压开关和另一个桥臂的零电流开关。其中，Q1、Q2组成超前桥臂，两端分别并联有吸收电容C1、C2，且C1=C2=Cr；其中，Cb为隔直电容，用来防止偏磁和实现ZCS。L1为外加饱和电感和变压器TR的漏感之和，提高了电源的转换效率及其电磁兼容性能。
2 全桥变换器的工作原理
四个开关管的工作过程和各部分响应波形中，VGE是驱动信号，IP是变压器T的一次电流，Ucb是电容Cb两端电压。
电路工作过程分析如下：
1）[0，t0]时刻：
Q1、Q4同时导通，变压器原边电流Ip开始上升，流向是从Q1到L1、变压器、Cb、Q4。功率从原边流向副边，同时隔直电容Cb上的电压开始上升。为了简化分析，暂不考虑变压器的励磁电流和副边电流Io的波动，因此变压器原边电流Ip（t）为：Ip（t）=Ipo=Io/n（1）
当然，实际电路中由于副边整流二极管的反向恢复过程，Ip（t）上升沿有一个尖峰，见图2。Cb两端电压Ucb（t）为：Ucb（t）= t*Ipo /Cb=Ucbp （2）
该过程所用时间为：t0=2Ucbp*Cb/ Ipo （3）
2）[t0，t1]时刻：
Q1关断，Q1的关断是ZVS关断，原边电流Ip通过C1、C2继续按原方向流动。Q1关断后，原边电流通过C1、C2進行续流。该过程所用时间为：t01=2Vin*Cr/ Ipo （4）
3）[t1，t2]时刻：
在t2时刻环流衰减到零，原边电流变化过程为：Ip（t）= Ipo- t*Ucbp /L1 （5）
该状态持续时间为：t12= L1*Ipo /Ucbp （6）
4）[t2，t3]时刻：
至时刻t2，原边电流为零，并试图反向增加。由于隔直电容Cb很大，其上的电压很小，因此，C2在充满电后的电压也很小，电流很快降为零。振荡周期为：T=2π（7）
5）[t3，t4]时刻：
Q4关断，显然，由于此时Q4上电压电流均为零，因此Q4是ZVZCS关断。Q3是硬开关导通，而且Q3导通时其两端电压大小约为直流输入电压大小。而在普通硬开关工作方式下Q3导通时其端电压是直流输入电压的一半。
6）[t4，t5]时刻：
Q2、Q3导通。由于Q3集电极电压很小，Q3可近似看成ZVS导通。此时Q2输出电容上的电压为Uin，在Q2开通时该能量全部通过Q2放掉，因此在选择Q2、Q4时应选输出电容小的器件。在导通瞬间：Ip（t）=（Uin+Ucbp）*t/L1 （8）
其后，副边整流管DR1截止，副边电流完全通过DR2，由第二个副边绕组提供。
至此，完成半个开关周期的分析。另一半周期的控制方法和工作过程类似。
3 实现ZCS和ZVS的条件
原边电流Ip从负载电流减到零的时间为：
t12= Ipo *L1/Ucbp =2Cb *L1/t0=4Cb *L1/D *TS （9）
D为占空比，TS为开关周期。可见电流回零的时间t12与输入电压和负载电流无关，仅与电路的参数和占空比有关。即在很大负载范围内均可实现ZCS桥臂Q2、Q4的零电流关断。通过合理设计电感L1，理论上也可实现Q2、Q4的零电流开通。
ZVS实现的条件比移相控制法更为宽松，从（6）式可以看到，仅在极轻载条件下才实现不了ZVS。可以根据实际适当将Cr选大一些，以降低关断损耗。
Cb太小则Ucbp过大，使管子应力变大；Cb太大不易实现ZCS。应以其电压峰值小于10%Uin为宜。
4 结语
本文介绍了一种新型零电压零电流移相全桥PWN控制变换器。在轻载和重载的情况下，分别用漏感和励磁电感储存能量，实现了超前桥臂的ZVS和滞后桥臂的ZCS，从而减小了开关损耗.提高了电路工作效率。所提出的变压器具有电路结构简单、整机效率高以及电流环自适应调整等优点，这使得它特别适合高压大功率的应用场合。
参考文献：
[1] 易卫东，张建峡，谢静.一种新型全桥DC/DC软开关电源的仿真研究[J].现代机械，2016，2：23-26.
[2] 刘福鑫.高压直流电源中DC/DC变换器的研究[D].南京航空航天大学硕士学位论文，2014.
[3] 李传琦.电力电子技术计算机仿真实验[M].北京：电子工业出版社，2015.
[4] 王兆安，黄俊.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2013.
作者简介：
林茂梁，1976年07月生，男，福建安溪人，本科，研究方向为供电所配电运维。
关键词：全桥变压器；零电压开关；零电流开关；ZVZCS
1 引言
在中小功率的场合，功率器件一般选用MOSFET，这是因为MOSFET的开关速度快，可以提高开关频率，采用ZVS方式，就可将开关损耗减小到较为理想的程度。而在高压大功率的场合，IGBT更为合适。但IGBT的最大的缺点是具有较大的开关损耗，要想在ZVS方式下减少关断损耗，则必须加大IGBT的并联电容。然而由于轻载时ZVS很难实现，因此ZVS方案对于IGBT来说并不理想。
本文提出了一种基于全桥变换器的ZVZCS控制方法。采用IGBT作为功率开关、有限双极性控制方式，网络拓扑如图1所示。Q1～Q4四个开关管组成一个全桥电路。ZVZCS全桥PWM变换器实现了一个桥臂的零电压开关和另一个桥臂的零电流开关。其中，Q1、Q2组成超前桥臂，两端分别并联有吸收电容C1、C2，且C1=C2=Cr；其中，Cb为隔直电容，用来防止偏磁和实现ZCS。L1为外加饱和电感和变压器TR的漏感之和，提高了电源的转换效率及其电磁兼容性能。
2 全桥变换器的工作原理
四个开关管的工作过程和各部分响应波形中，VGE是驱动信号，IP是变压器T的一次电流，Ucb是电容Cb两端电压。
电路工作过程分析如下：
1）[0，t0]时刻：
Q1、Q4同时导通，变压器原边电流Ip开始上升，流向是从Q1到L1、变压器、Cb、Q4。功率从原边流向副边，同时隔直电容Cb上的电压开始上升。为了简化分析，暂不考虑变压器的励磁电流和副边电流Io的波动，因此变压器原边电流Ip（t）为：Ip（t）=Ipo=Io/n（1）
当然，实际电路中由于副边整流二极管的反向恢复过程，Ip（t）上升沿有一个尖峰，见图2。Cb两端电压Ucb（t）为：Ucb（t）= t*Ipo /Cb=Ucbp （2）
该过程所用时间为：t0=2Ucbp*Cb/ Ipo （3）
2）[t0，t1]时刻：
Q1关断，Q1的关断是ZVS关断，原边电流Ip通过C1、C2继续按原方向流动。Q1关断后，原边电流通过C1、C2進行续流。该过程所用时间为：t01=2Vin*Cr/ Ipo （4）
3）[t1，t2]时刻：
在t2时刻环流衰减到零，原边电流变化过程为：Ip（t）= Ipo- t*Ucbp /L1 （5）
该状态持续时间为：t12= L1*Ipo /Ucbp （6）
4）[t2，t3]时刻：
至时刻t2，原边电流为零，并试图反向增加。由于隔直电容Cb很大，其上的电压很小，因此，C2在充满电后的电压也很小，电流很快降为零。振荡周期为：T=2π（7）
5）[t3，t4]时刻：
Q4关断，显然，由于此时Q4上电压电流均为零，因此Q4是ZVZCS关断。Q3是硬开关导通，而且Q3导通时其两端电压大小约为直流输入电压大小。而在普通硬开关工作方式下Q3导通时其端电压是直流输入电压的一半。
6）[t4，t5]时刻：
Q2、Q3导通。由于Q3集电极电压很小，Q3可近似看成ZVS导通。此时Q2输出电容上的电压为Uin，在Q2开通时该能量全部通过Q2放掉，因此在选择Q2、Q4时应选输出电容小的器件。在导通瞬间：Ip（t）=（Uin+Ucbp）*t/L1 （8）
其后，副边整流管DR1截止，副边电流完全通过DR2，由第二个副边绕组提供。
至此，完成半个开关周期的分析。另一半周期的控制方法和工作过程类似。
3 实现ZCS和ZVS的条件
原边电流Ip从负载电流减到零的时间为：
t12= Ipo *L1/Ucbp =2Cb *L1/t0=4Cb *L1/D *TS （9）
D为占空比，TS为开关周期。可见电流回零的时间t12与输入电压和负载电流无关，仅与电路的参数和占空比有关。即在很大负载范围内均可实现ZCS桥臂Q2、Q4的零电流关断。通过合理设计电感L1，理论上也可实现Q2、Q4的零电流开通。
ZVS实现的条件比移相控制法更为宽松，从（6）式可以看到，仅在极轻载条件下才实现不了ZVS。可以根据实际适当将Cr选大一些，以降低关断损耗。
Cb太小则Ucbp过大，使管子应力变大；Cb太大不易实现ZCS。应以其电压峰值小于10%Uin为宜。
4 结语
本文介绍了一种新型零电压零电流移相全桥PWN控制变换器。在轻载和重载的情况下，分别用漏感和励磁电感储存能量，实现了超前桥臂的ZVS和滞后桥臂的ZCS，从而减小了开关损耗.提高了电路工作效率。所提出的变压器具有电路结构简单、整机效率高以及电流环自适应调整等优点，这使得它特别适合高压大功率的应用场合。
参考文献：
[1] 易卫东，张建峡，谢静.一种新型全桥DC/DC软开关电源的仿真研究[J].现代机械，2016，2：23-26.
[2] 刘福鑫.高压直流电源中DC/DC变换器的研究[D].南京航空航天大学硕士学位论文，2014.
[3] 李传琦.电力电子技术计算机仿真实验[M].北京：电子工业出版社，2015.
[4] 王兆安，黄俊.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2013.
作者简介：
林茂梁，1976年07月生，男，福建安溪人，本科，研究方向为供电所配电运维。