移相全桥ZVZCS DC/DC变换电路的PSpice仿真研究

程琼，刘潇

(湖北工业大学电气与电子工程学院，湖北武汉430068)

移相全桥ZVZCS DC/DC变换电路的PSpice仿真研究

程琼，刘潇

(湖北工业大学电气与电子工程学院，湖北武汉430068)

软开关电路具有开关损耗小、开关频率高、工作稳定性强、可靠性高等优势，选取了一种移相全桥ZVZCS PWM DC/DC变换电路，通过PSpice软件对该软开关电路进行仿真研究，为实际电路的研究提供依据。

移相全桥；软开关；PSpice软件

移相全桥软开关是软开关技术中发展比较成熟、应用广泛的一种技术，其实现方式主要有零电压开关(zero voltage switching，ZVS)和零电压零电流开关(zero voltage zero current switching，ZVZCS)。当前应用较广的ZVS变换器存在原边有环流、变换效率降低、占空比丢失严重等缺点[1-3]，而本文研究的ZVZCS变换器在重载范围中仍能确保超前桥臂实现零电压开关和滞后桥臂的零电流开关，减小占空比的丢失，因而能够提升软开关电路的输出效率，有效地弥补ZVS变换器的不足。

1 移相全桥ZVZCS变换电路的选取及工作过程分析

1.1 电路拓扑结构的选取

移相全桥ZVZCS变换电路主要通过移相控制的方式并依靠电路中自身的寄生电容和电感，外加谐振元件及辅助电路，使电路中开关管工作在软开关或零损耗状态下。在超前桥臂，利用变压器的漏感或者原边串联电感和功率管的寄生电容实现零电压开关，其实现方法同ZVS变换电路相类似[4]；在滞后桥臂，通过对原边电流进行复位来实现，主要的实现方法有以下几种[5]：(1)在变压器原边使用饱和电感和隔直电容，利用隔直电容上的电压作为反向阻断电压源，使原边电流复位，但是饱和电感损耗会限制变压器最大功率，并且电容上的压降也增加了导通损耗；(2)利用在超前桥臂上的IGBT管的反向雪崩击穿，使变压器漏感中储存的能量完全消耗在超前桥臂的开关管中，因此需要很小的漏感；(3)在副边加箝位电路，一般由电容和二极管组成，通过在续流期间将箝位电容上的电压反射到变压器原边，加在变压器漏感上，实现零电流开关。

本文在众多ZVZCS拓扑结构[6]中选取了一种，其拓扑图如图1所示。在超前桥臂上的开关管Q1与Q3两端分别并联电容C1与C3，以实现超前桥臂的零电压开关。在变压器原边主电路上串联饱和电感Llk与隔直电容Cb，通过隔直电容上的电压使原边电流降为零时由饱和电感将电流箝在零位，以此实现滞后桥臂上开关管的零电流开关。

图1 移相全桥ZVZCS主电路

1.2 电路工作过程分析

在一个周期内，主电路一共有10个开关模态。由于电路具有对称性，因此此处仅对半个周期中的几种模态进行分析(图2)。在分析前进行如下假设，以简化分析过程：

(1)图中开关管、二极管均为理想器件；

(2)电感、电容、变压器均为理想器件；

(3)1=2，忽略器件差异性。

1.2.1 开关模态0

在0时刻前，Q1与Q4导通，电流经过Q1、Llk、Cb、Q4在原边形成回路，变压器副边整流侧电流经过DR1、Lf、RL形成回路。原边电流对隔直电容Cb充电，Cb两端电压线性上升。1.2.2开关模态1

图2 ZVZCS PWM DC/DC变换器主要电流电压工作波形

1.2.5 开关模态4

2 移相全桥ZVZCS变换电路的PS-pice仿真研究

2.1 仿真模型搭建

图3所示为移相全桥ZVZCS电路的PSpice仿真模型[7]。输入直流电压为296 V，此电压值是由峰值为311 V的交流电经过整流电路除去电路中的损耗后得到的电压平均值。通过IGBT开关管ZA～ZD的的逆变作用，在变压器K1原边获得高频交流电压，ZA与ZC为超前桥臂，ZB与ZD为滞后桥臂。变压器K1模型为ETD59_3C90磁芯[8]，变比为25∶6∶6，设定参数couple值为1，即假设为完全耦合状态，经过高频变压器的电气隔离后在高频整流管D5处输出，电感L5与电容C4构成滤波电路，RL为负载。

图3 移相全桥ZVZCS电路的PSpice仿真模型

2.2 仿真结果分析

图4所示为超前桥臂开关管ZA实现零电压开关的仿真波形，图中曲线1为ZA的脉冲驱动电压波形，其正向电压为15 V，反向电压为1 V；曲线2为ZA两端电压的波形，输入直流电压约为296 V。由仿真波形可以看出，在轻载情况下，开关管的脉冲驱动在其自身电压下降为零时才给出，很好地实现了开关管ZA的零电压关断。

图4超前桥臂ZA电压波形及驱动电压波形

图5 所示为滞后桥臂开关管ZB实现零电流开关的仿真波形，图中曲线1为ZB的脉冲驱动电压波形，曲线2为流过ZB的电流波形，可以看出在ZB的电流为零时，给出开关管的驱动电压，因此实现开关管ZB的零电流开通。

图5滞后桥臂ZB电流波形及驱动电压波形

图6 所示为开关管ZC的电压及电流波形，当ZC两端电压不为零时，流过开关管的电流为零；而当流过开关管的电流不为零时，开关管两端电压为零，这样大大降低了开关损耗，很好地体现了软开关特性。

图6开关管ZC电流波形及电压波形

图7 所示为负载RL两端输出电压波形，从波形分析可知负载电压在经过2.4 ms的振荡后，输出电压值趋于稳定，响应速度非常快。

图7 负载输出电压波形

3 结束语

本文选取了在变压器原边串联饱和电感及隔直电容的移相全桥ZVZCS软开关电路，对电路工作过程进行了分析。采用PSpice仿真软件搭建相应电路模型、设置仿真参数，在超前桥臂通过并联电容实现零电压开关；在变压器原边串联饱和电感，当阻断电容上的电压使原边电流复位到零以后，饱和电

Simulation research on full-bridge ZVZCS circuit based on PSpice

CHENG Qiong,LIU Xiao

According to the advantages of soft-switching which was more reliable and stable with a low swich loss and a high switching frequency,ZVZCS circuit was chosen.PSpice software was carried out the circuit simulation which could provide scientific basis for the research of real circuit.

phase-shifted full-bridge;soft switching;PSpice software

TM 46

A

1002-087 X(2015)03-0588-03

2014-08-15

程琼(1959—)，女，湖北省人，教授，主要研究方向为电力电子与电力传动。