一种宽范围全桥移相ZVS电源

田浩洋，张盛兵，王 凯

（西北工业大学软件与微电子学院，陕西 西安 710029）

0 引言

全桥移相拓扑具有高功率密度和高效率等优点，广泛应用于中、大功率电源中。但在电路中，其滞后桥臂在轻负载下无法达到ZVS开通，因而造成较大的损耗［1］。同时，由于谐振电感的存在，通过变压器的耦合，其与输出整流管的寄生电容形成谐振回路，从而有可能增大二极管的损耗［2］。此外，输出电压的调节范围无法满足用户的要求，为此，在引入辅助支路改善软开关的基础上，在变换器直流侧引入两级稳压电路，以实现宽范围负载输出。

1 变换器工作原理

带辅助谐振网络的移相全桥零电压变换器主电路如图1所示。其中，Q1和Q3构成超前桥臂，Q2和Q4构成滞后桥臂［3］。Lr是变压器漏感，与传统的移相控制ZVS PWM DC／DC变换器相比，它在滞后桥臂增加了由电感La，电容Ca1，Ca2和二极管Da1，Da2组成的谐振网络。引入谐振网络，解决了传统移相全桥变换器滞后桥臂难以实现ZVS的问题。

图1 主电路拓扑

在分析其工作过程之前，对电路作如下假设：所有开关、二极管均为理想器件；电容、电感均为理想元件；C2=C4=Cmos，Ca1=Ca2=Ca。

1.1 开关模式0

t0时刻前，Q4导通，辅助电感电流通过Q4和Da2续流，电流值为：

1.2 开关模式1

在t0时刻，Q4关断，iLa和变压器漏感电流iLr同时给C4充电，给C2放电，原边电流下降，在这段时间内，各电容、感电流为：

在t1时刻，C4电压上升到Vin，C2电压降到零，D2自然导通。

1.3 开关模式2

在本阶段，Q2零电压开通，其两端电压vAB=-Vin。当原边电流下降到零时，D3自然关断，Q3流过电流。在t2时刻，Lr的电流下降到-ic，此时有：

1.4 开关模式3

在本阶段，Lr和La及Ca1和Ca2谐振工作，iLa反向增加，给Ca2充电，给Ca1放电。

1.5 开关模式4

在此模式中，Q2和Da1导通，辅助电感电压被箍位为零，iLa=-Ia，在t4时刻Q2关断，开始另一个半周期，其与上述过程类似。

从上述分析可得：

a.辅助电容和二极管不参与滞后桥臂的开关过程，只为辅助电感建立最大电流Ia，并简化滞后桥臂的开关过程。

b.在滞后桥臂开关时，辅助电感电流iLa是最大电流Ia，流进或流出节点B，以使谐振电感实现滞后桥臂的零电压开关。

2 直流调压设计

为降低开关管调节压力，在开关管输出端，即在交流输入整流后进行两级稳压调节，将整流输出预调节到目标输出值附近，而后再通过移相全桥进行精细调节以达到设计目标［4］，直流调压设计如图2所示。

图2 直流调压电路

图2中，Vdc＿in是经整流桥整流后的初级直流电，由R1，C1，Q1和 Q2构成初级稳压（粗稳）电路，其中，Q1和Q2为达林顿结构，通过配置R1使Q1和Q2工作于放大区，在不改变C1的情况下可以得到较大的等效滤波电容。R2，Q3，Q4和Q5构成后级调整（粗调）电路，其中，Q5的导通状态受到系统输出的控制，以实现对直流电压的粗调，使移相全桥输入电压Vdc＿out接近于目标输出，从而减小开关管调节压力。R4，R5，R6，R7，C4和 D1构成直流取样支路，其对移相全桥输入直流电压进行采样，提供给CPU进行判断和控制。

3 实验结果

根据设计试制了一台样机，输入交流电压为220V，输出直流电压为50～500V，满功率为450 W，开关频率为25kHz。主控制芯片采用16位的STM32F103C8。开关管选择IPP60R199CP，其参数为漏源极电压650V，漏极额定电流为16A。变压器采用超微晶磁芯，其变比为25∶65，原边漏感为40μH。整流二极管为IDP09E120，其反向恢复电压为1200V，额定电流为9A。辅助支路谐振电感为160μH，辅助电容为5μF。

图3为Q2和Q4的驱动信号移相波形，可见此两路脉冲互补且有一定的相移，通过调整相位移动的大小即可调整输出电压。Q1和Q3的脉冲与此类似。

图4为Q3的电压与驱动波形，可以看出，开通和关断均实现了零电压开关。

图5为Q3零电压开通波形，可以看出，在驱动脉冲上升到阈值电压5V之前，开关管的端电压已经降为零，从而减小了开关损耗。

图6为Q3零电压关断波形，可见在其端电压上升前驱动脉冲先行下降，从而减小了关断损耗，实现了零电压关断。

图3 移相驱动波形

图4 软开关效果

图5 ZVS开通的局部放大

图6 ZVS关断的局部放大

经测试，当输入交流电压在额定值220V时，系统能够根据上位机的设定而输出电压为50～500 V，电流为0.95～9.6A的电流，满足了用户提出的指标要求。由于采用了辅助谐振网络及直流调压电路，因而降低了功率器件的调节压力及损耗，为系统长时间稳定运行提供了安全的保障。

4 结束语

宽范围可调移相全桥电源具有广阔的应用前景，尤其在雷达发射机和脉冲点火等军事领域。针对移相全桥拓扑固有的滞后桥臂难以实现软开关及负载大范围调整等技术难点，设计了辅助谐振网络，从而使滞后桥臂实现了软开关；同时在移相全桥输入直流侧设计了两级直流调压电路，简化了系统调压控制的复杂性并减小了开关管调压负担。

［1］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.

［2］Martins M L，Russi J L，Hey H L.Zero-voltage transition PWM converters：a classification methodology［J］.Electric Power Applications，2005，152（2）：323-334.

［3］唐建军.基于DSP的数字控制移相全桥变换器［D］.广州：华南理工大学，2003.

［4］Xu Dehong，Zhao Chuanhong，Fan Haifeng.A PWM plus phase-shift control bidirectional DC-DC converter［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，2004，19（3）：666-675.