基于饱和电抗器的ZCZVS移相全桥DC-DC变换器

马骜,黄铂,王朋

（1.武汉科技大学 城市学院,湖北 武汉 430083；2.武汉大学 湖北 武汉 430072）

直流电源在许多场合都发挥着重要作用，作为直流电源的一个重要环节，DC/DC变换器的性能很大程度上决定了直流电源的成本和可靠性。DC/DC变换器有多种结构，根据电源的功率需求，选择合适的变换器拓扑结构。基本DC/DC变换器（如：Buck、Boost、Buck/Boost、Forward 等变换器）只应用在小功率场合，而在中大功率场合，一般采用半桥或全桥变换器。

全桥变换器是一种先经DC/AC高频逆变，再经AC/DC不控整流的两级DC/DC变换器。高频变压器把直流负载与交流电网隔离，高频变压器输出侧直流LC滤波器重量和体积不大，输出直流电压纹波小，动态特性好，全桥变换器已成为较大功率DC/DC变换器的最佳技术方案之一[1]。

经过几十年的发展，在中大功率应用中，移相全桥软开关DC/DC变换器逐渐成熟，已成为DC/DC变换器的主流，与其他DC/DC变换器相比，移相全桥软开关拓扑结构充分利用了电路本身的寄生参数，通过控制PWM脉冲的相位使开关管工作在软开关状态，降低了开关损耗，提高了变换器的效率。

1 基于饱和电抗器的ZCZVS移相全桥主电路分析

按软开关的实现方式，移相全桥PWM变换器大致可分为零电压开关（ZVS）、零电流开关（ZCS）和零电压零电流开关（ZVZCS）3种。其中，ZVZCS方式变换器由超前桥臂实现零电压开关，滞后桥臂实现零电流开关，与其他两种软开关技术相比，移相全桥ZVZCSDC/DC变换器能实现更宽范围的软开关，是一种性能优良的全桥DC/DC变换器，在中大功率DC/DC变换场合被广泛应用[2-3]。

移相全桥零电压零电流 （ZVZCS）变换器，超前臂实现ZVS，滞后桥臂实现ZCS（故其两端不能并联电容），需要加入相应的辅助电路来实现滞后桥臂的零电流开关。图1为饱和电抗器式ZCZVS主电路，其中Q1，Q3增加了反向阻断电容，以实现滞后臂的ZCS[4]。

移相全桥电路ZCZVS的开关管的驱动信号和电压电流波形如图2所示

t0时刻，Q1关断后ip续流，C3两端的电压降为零，D3导通，此时可实现Q3零电压开通。Q1关断后到Q4关断前的[t0～t3]阶段，变换器工作在“0 状态”，此时， ZVZCS 方式的“0状态”为电流复位模式，原边电流将会减小到零，以实现滞后桥臂的ZCS。如果在Q1关断、D3导通时，不及时开通Q3，待原边电流减小到零后，D3截止，C3将被重新充电，Q3就无法实现零电压开通。

图1 饱和电抗器式ZCZVS移相全桥主电路拓扑Fig.1 Topology of saturable ZCZVS phase-shifted full bridge circuit

图2 开关管驱动信号和电压电流波形Fig.2 Driving signal of switching diode and its voltage¤t

由于原边电流减小到零的时间与负载有关，在较宽负载范围内实现Q3的零电压开通，必须将Q3的开通时间提前到Q1关断时（即Q3导通时间增加到半个周期）。同理，Q1的开通时间也要提前，此时Q1和Q3的导通时间都是180°。另外，Q1和Q3的驱动信号之间仍须有一个死区时间，使Q1(或Q3)在开通之前，其并联电容C1（或C3）电压归零，反并二极管 D1（或 D3）导通。

由于滞后桥臂要实现ZCS，因此开关管两端不能并联电容。当超前桥臂的Q1关断后，变换器工作在“0状态”，此时原边电流ip开始减小，到t1时刻时， ip减小到零，此时可实现Q4零电流关断，因此Q4的关断时刻必须推迟到t1时刻之后。ip减小到零的时间与负载和电流复位有关。在[t1～t3]阶段，ip继续保持为零，因此Q4的关断时刻也可以推迟到t3时刻之后（即将Q4导通时间增加到半个周期），同理Q2的关断时刻也可以推迟到t3时刻之后，因此Q2和Q4的导通时间可以是180°。换言之，滞后桥臂的开通时间向后推迟，增加一段时间（该时间由电流复位时间决定），甚至增加到半个周期。

PWM DC/DC变换器的ZVZCS方式下，存在一个 “0状态”，此时原边电流减小到零，是超前臂零电压和滞后臂零电流开关的前提。基于以上实现原边电流复位和反向电流阻断的方法，由于饱和电抗器方案结构较为简单，使用的开关元件较少，既节约了成本又避免增加了额外的器件损耗，因此，本文采用基于饱和电抗器的ZCZVS移相全桥DC-DC变换器。

当电流大时，电抗器饱和，电感很小；当电流小时，电感脱离饱和，电感很大，阻止电流变化。利用饱和电感的这种特性，能改善PWM DC/DC变换器的性能。如图所示，首先，Q1和Q4导通，饱和电感Lsat处于饱和状态，隔直电容Cb电压从-Vmax线性增加，能量传递给负载RL，此时若超前桥臂中Q1关断，变压器原边电流ip转移到并联电容C1和C3中（即电容C1充电，C3放电）。由于电容C1电压不能突变，因此Q1是零电压关断。当电容C1足够大，Q1的关断损耗将大大减小。

2 ZCZVS移相全桥电路控制系统简介

该变换器的控制电路主要包括由主控集成电路UC3875及其外围电路组成的主控电路、逆变部分开关管的驱动电路、过流过压保护电路及开关机和显示部分。

UC3875及其外围电路的连接图如图3所示。Vin(11角)和Vc(10角)接12 V工作电源，其中Vin给内部逻辑电路供电，它对应于信号地GND(20角)，Vc给输出级供电，它对应于信号地PWR GND(12角)。这两个工作电源均应该外接相应的高频滤波电容，而且GND和PWR GND两个地应相联于一点以减少噪声干扰和减小直流压降。Vin设有欠压锁定输出的功能（Under-voltage Lock-out，简称 UVLO）,当 Vin 得电压低于UVLO门槛电压（10.75 V）时，输出级信号全部为低电平，高于门槛电压时输出级才会开启。

在频率设置脚FREQ SET(16角)与GND之间接一个电容C7和一个电阻R19可以设置振荡频率，从而设置输出级的开关频率。此电路的开关频率。

图3中芯片内部集成了一个带宽为7 MHz的误差运算放大器，按照图中的电路连接方法为一PI调节器，调节器的输出级RAMP角的锯齿波加上一个1.3 V的偏置电压的和相比较，产生移相角的变化。芯片E/A-角连接着主电路输出电压的分压值 （通过一电阻网络分压，输入到E/A-），E/A+由VREF基准电压角给定，为5 V。设计输出电压为24 V，所以可以得到电阻网络分压为4.8：1。

由上述电路构成了控制系统的核心，配合外围的驱动电路，保护电路，共同构成了移相全桥电路的控制系统。

3 ZCZVS移相全桥电路参数设计

拟定的主要参数额定最大输出功率为50V/20A，本节描述了50V/20A移相全桥ZVZCSDC/DC变换器稳压电源的设计参数，并对实验结果进行分析。

参数设计时，按手册参数计算可得高频变压器[5]原边匝数为32，副边匝数为6；输出滤波电感值取Lf=16μH。其他器件的参数经计算初步确定如下：输入电压Vin=315VDC；输出电压Vo=50VDC；并联电容 C2=C4=2.2 nF；输出滤波电容Cf=4 700 μF;开关频率 fs=50 kHz。

图3 UC3875及其外围电路组成的控制电路Fig.3 Control system based on UC3875 and accessory circuit

4 实验验证

按上述参数设计了移相全桥ZVZCSDC/DC变换器[6]和专用移相控制芯片UC3875构成PID电压反馈控制环两部分组成的50V/20A稳压电源[7]。样机的主电路原理如图4所示。

图4 样机主电路原理图Fig.4 diagram of DC-DC converter

图5 样机实验波形Fig.5 The prototype experimentwaveform

在样机的制作过程中部分参数不标准，可能引起一些偏差，再经实验修改验证。其他方面功能比较简单，如过压过流保护，但基本达到稳压电源的性能和研究要求。通过实验样机验证，实现了较大功率的全负载范围输出可调。但由于样机中采用模拟PID反馈控制，动态响应时间（90%～10%负载）约120～170ms，难以满足高动态特性的要求。下面对比实验样机的波形分析ZVZCS的实验结果和特性。

图5(a)所示为满载时超前臂的零电压开关的波形。图5(a)中左半部分超前臂在开通前，开关管的电压降减小为零，实现了ZVS开通，电压电流的重叠区很小，开关损耗很小；图5(a)右半部分中超前臂在关断前，开关管电压为零，开通后，开关管的电压才开始上升，实现了关断，电压电流的重叠区很小，开关损耗很小。

从图5(b)可看出，开关管开通时原边电流在漏感的作用下线性上升，实现了开关管的零电流开通；在开关管关断时原边电流已经降到零，实现了开关管的零电流关断。因此，滞后桥臂能在大负载范围内实现零电流开关。

5 结论

文中详细分析了利用输出饱和电感实现的移相全桥ZVZCSPWM DC/DC变换器的工作原理，该拓扑结构具有辅助电路结构简单[8]、这种电路拓扑具有软开关范围宽、占空比损失小、减小了主回路中的通态损耗等优点，非常适合于中大功率直流变换的应用场合，同时介绍了其控制系统及控制芯片UCC3875。在此基础上进行了移相全桥ZVZCSDC/DC变换器的主电路及相关参数的设计。实验表明，该方案能较好的实现零电压零电流开关（ZCZVS）控制，电路的EMI和元件损耗也有了明显的降低。

[1]王志强.开关电源设计[M].2版.北京:电子工业出版社,2005.

[2]王朋.基于移相全桥变换器的可调直流电源的研究[M].武汉：武汉科技大学,2008.

[3]阮新波,严仰光.直流开关电源的软开关技术[M].北京:科学出版社,2000.

[4]陈坚.电力电子学——电力电子变换和控制技术[M].北京:高等教育出版社,2002.

[5]电子变压器专业委员会.电子变压器手册[M].辽宁:辽宁科学技术出版社,1998.

[6]周全明.基本DC/DC变换器的组合拓扑及控制方法研究[D].重庆:重庆大学,2008.

[7]赵文武.移相全桥DC/DC变换器的应用研究[J].电子设计工程,2013(14):118-120.ZHAO Wen-wu.Application study on phase-shifted full bridge DC/DC converter[J].Electronic Design Engineering,2013(14):118-120.

[8]沈盼.移相全桥ZVZCS式船用充电电源的研究[M].武汉：湖北工业大学,2010.