移相全桥软开关变换器的研究和设计

王 鑫

（贺州学院，广西贺州，542800）

移相全桥软开关变换器的研究和设计

王 鑫

（贺州学院，广西贺州，542800）

DC/DC变换器主要向着高效率、高功率密度、高质量输出和高可靠性方向发展。移相全桥软开关变换器的研究在这方面也显得较为突出。本文主要针对变换器的性能进行研究，设计一种能够实现升压的高效隔离DC-DC变换器，并使之广泛应用。

软开关； 移相全桥； 变换器

0 引言

为克服DC-DC PWM（脉冲调制）功率变换器在硬开关状态下工作的诸多问题，软开关技术在DC/DC变换器中的使用越来越普遍，移相全桥软开关DC/DC变换器的使用，已成为趋势。软开关技术是使功率变换器得以高频化的重要技术之一，是80年代初由美国弗吉尼亚电力电子中心李泽元教授首先提出并应用于DC / DC变换器中，其特点是减少开关损耗、降低电磁干扰，大大提高了变换器的效率。

1 国内外研究现状

1.1 国内外研究现状

在一切电器设备重，都需要电源来进行设备的控制，可见电源的重要性。由于开关电源的便捷性，已经占领电源市场的大部分，并取代了线性电源。随着人民生活水平的提高和信息科学技术的飞速发展，传统的开关已经不能满足人们的需求，而随着人们对开关损耗小，工作效率高等要求，软开关进入人们的眼球，且倍受青睐。

目前，国内外主要使用的开关技术是硬开关技术，硬开关存在以下缺点：开关耗损大、感性管段电尖峰大、容性开通电流尖峰大、电磁干扰严重，这些问题严重阻碍了开关元器件的工作效率的提高。为了改善硬开关的这些缺点，人们设计研了软开关来取代硬开关。近年来，各国的专家学者开始重视软开关技术的发展，应用软开关的电子产品也正在逐渐的增加，软开关技术也越来越完善，其应用也将会越来越广泛。

1.2 开关电源的发展趋势

近年来，随着科技的发展和电子技术的提高，数字化发展已经成为电子行业的发展趋势，数字控制的优势日益凸显。数字化控制具有以下优势：

（1）系统紧凑，有较强的通用性，性价比高。数字控制的硬件设计紧凑，通用性能强，可以在多个元器件上使用，使其达到较高的性价比。

（2)灵活性较强，能够随时修改。数字控制系统中，可以直接改变程序控制，电路结构不需改变，不但保证了电路的元器件，还提高了设备的性能，灵活性较强，可以进行自我控制。

（3)能够从根本上提高系统的性能指标。由于受到各方面的影响，电路往往达不到理想的运行状态，且进行电路优化时比较困难，而数字化控制能够克服电路的负载等方面的影响，使电路的工作状态更加趋于理想化状态，实现功率的提高。

（4)抗干扰能力强，能够使电路更加趋于稳定和高效性。通过数字控制使电路的状态变化更加明显，将外界的干扰降至最低。同时，数字控制能够控制元器件的老化，简化电路的原酸，使电路更加精准精确。

（5)便于实现电路的控制，可提高电路的自动化程度和可靠性。数字化发展将为电路的控制提供广阔的发展空间。

2 软开关的原理和实现

2.1 软开关的基本概念

开关变换器的耗损问题严重影响着开关的工作效率的提高，而软开关的出现是解决开关耗损的重要变革。软开关（Soft-Switching）是相对硬开关(Hard-Switching)而言的。软开关主要是应用电容与电感谐振的原理，开关在开通前电压先下降到零，关断前电流先下降到零，电压电流按正弦规律变化，大大地降低了在开关过程中电压、电流的变化，将开关的耗损降到最低。与此同时，由于谐振过程使在开关过程中电压和电流的变化率受到了限制，所以大幅度地减小了开关的噪声。这样的电路被称为软开关电路，而这样的开关过程也被称为软开关（Soft-Switching）。

2.2 软开关的分类

软开关主要分为两大类：一类是零电压开关，一类是零电流开关。再具体的话，可以细分为零电压开通、零电压断开、零电流开通和零电流断开。

零电压开通：开关开通前其两端电压为零，则开通时不会产生损耗和噪声。

零电流关断：开关关断前其电流为零，则关断时不会产生损耗和噪声。

零电压关断：与开关并联的电容能延缓开关关断后电压上升的速率，从而降低关断损耗。

零电流开通：与开关串联的电感能延缓开关开通后电流上升的速率，降低了开通损耗。

2.3 软开关变换器的拓扑分析

软开关在取代硬开关的同时，对于开关功率的效率的提升也是很明显的，并且使开关电源得到了高频化发展。目前，按照电路的调制方式，软开关可分为两种：PFM软开关和PWM软开关。

PFM软开关不利于电路的优化设计，主要是因为其工作频率波动频繁，且电源结构简单，只适用于负载、输入电压相对稳定的场所。属于PFM控制方式的变换器有以下几种：

（1）全谐振变换器

全谐振变换器（Resonant Converters）又称为谐振变换器，是一种负载谐变换器，主要有两类：一类是SRCs，一类是PRCs。根据负载与谐振电路的连接可分为：SLRCs和PLRCs。全谐振变换器中谐振元件参与能量的变换，一直工作，且对负载的变化十分灵敏，所以采用的是PFM调制方式。

（2）准谐振变换器

准谐振变换器可分为三种电路：ZVS QRC、ZCS QRC、ZVS MRC。准谐振的应用降低了电路开关的损耗和噪声，但是由于准谐振的电压峰值较高，所以对于元器件的耐压要求较高，同时，大量无功功率的交换导致了电路的耗损较大，谐振电路的谐振周期随着输入电压和负载的变化而变化，所以采用了PFM调制方式。

PWM软开关的设计，大大优化了磁性元器件，工作在恒频模式下，在软开关中广泛应用PWM软开关，目前，市面上主要采用的PWM控制方式的开关有三种：

（1）零开关PWM电路

零开关PWM电路主要是应用于开关过程的前后，使谐振发生，辅助开关控制谐振。两开关PWM电路分为ZVS PWM和ZCS PWM。这两种电路的好处在于降低开关承受的电压，电流电压的变化比较缓慢。

（2）零转换PWM电路

零转换PWM电路的特点是使电路中的无功功率大大降低，提高电路的效率。零转换PWM电路的谐振电路并联主开关，减少了输入电压和负载电流对谐振的影响，使开关在任何时刻都能处于软开关状态。零转换PWM电路分为：ZVT PWM和ZCT PWM。

（3）移相全桥软开关变换器

移相全桥软开关变换器最大的特点是结构简单，功率利用率高，输出功率大，应用广泛。下文将针对移相全桥变换器做出详细的阐述。

3 移相全桥软开关变换器

最早的移相全桥软开关变换器是FB-ZVS-PWM变换器，随着电子信息技术的发展，逐渐出现了FB-ZVZCS-PWM变换器和FBZCS-PWM变换器，现在又设计研究了一系列全新的移相全桥变换器，移相全桥变换器的发展十分迅速，前景也十分广阔。

目前，国内外DC-DC变换器电路中，最常见的电路拓扑是全桥变换器电路拓扑。原因在于全桥软开关变换器电路具有软开关的优点，同时，全桥变换器还有两种的供电方式，一种是电压源供电，一种是电流源供电，因此，全桥变换电路分为两类：一类是电压源型，一类是电流源型。在实际应用中中，全桥变换电路中电压源型的DC-DC变换器应用更加广泛。

移相全桥软开关变换器中，FB-ZVZCS-PWM变换器在实际生活中的应用较为广泛，它克服了零电压PWM变换器的缺点，采用了次级耦合电感，使原边电流能够复位，同时还设计了抑制副边整流管的过冲和振荡拓扑电路。移相PWM控制方式将振谐技术与脉宽调制技术相结合，有效的利用振谐元件，实现在零电压的情况下，开关频率恒定，不但减少了开关的耗损，减低了噪声，还提高了电路的工作效率，同时，移相全桥软开关变换器还具有结构简单，控制便捷，开关恒频，对元器件的损伤小等诸多优点。

4 结语

随着计算机技术和电子信息技术的发展，各种变换器正在市场上逐渐占领高地，移相全桥软开关变化器的研究与设计主要是为了研制出高效的升压隔离DC-DC变换器，为新能源汽车、电力储能系统和可再生能源开发等方面提供帮助。

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王鑫，姓别：男，籍贯：云南丽江，单位：贺州学院，学历职称：大学本科 助理馆员，研究方向：智能控制。

Research and Design of Phase-shifted full-bridge soft-switching converter

Wang Xin
（Hezhou University,China,542800)

DC/DC converters are mainly developed in the direction of high efficiency,high power density, high quality output and high reliability.Phase-shifted full-bridge soft-switching converter in this area also appears to be more prominent.In this paper which studied the performance of the converter,and an efficient isolated DC-DC converter can be designed and implemented.

Soft switching;Phase-shifted full-bridge;Converter