PSFB-ZVS电路的研究

李　群

(中国船舶重工集团公司第723研究所，扬州 225001)



PSFB-ZVS电路的研究

李群

(中国船舶重工集团公司第723研究所，扬州 225001)

摘要：软开关技术的应用使得中大功率电源在体积、效率等方面的性能有较大的提升。对一种中大功率开关电源的软开关电路进行仿真研究，该电路采用移相全桥零电压开关(PSFB-ZVS)变换器拓扑结构，应用比例积分(PI)控制器和移相角调节技术实现电压的稳定输出，且4个开关管实现零电压开通。实验结果表明，所设计的电源性能良好，可作为后续的数字化电源的研究参考。

关键词：移相全桥；软开关技术；Matlab仿真

0引言

移相全桥零电压开关(PSFB-ZVS)变换器电路是一种较成功的软开关变换器，具备功率变压器利用率高、输出功率大、开关器件电压应力低等传统全桥变换器的优点;同时由于工作在软开关状态下,开关损耗小，效率较高:因此移相全桥ZVS变换器已广泛应用在中、大功率场合。

开关电源若想实现小型化，最直接的办法是提高开关频率。但开关频率越高，其开关损耗越大，电路的效率随之降低，电磁干扰随之增大。软开关技术的实现对于改善电源损耗、提高工作频率、降低电源体积与重量有着显著的作用。零电压开关技术是软开关技术中的一种，其利用电感与电容组成谐振电路，使开关器件中的电压按照正弦或准正弦的规律变化，当开关器件开通前，使其电压降为零，从而达到减少开关损耗的目的[1]。

1移相全桥ZVS变换器原理

1.1电路拓扑结构

移相全桥ZVS变换器主拓扑图如图1所示，电路结构主要包括全桥电路的4个功率开关管(Q1～Q4)、4个开关管的体二极管(D1～D4)、4个开关管的结电容(C1～C4)、谐振电感Lr、变压器、全波整流电路的2个整流二极管(DR1，DR2)、输出滤波电感Lf、输出滤波电容Cf。

图1　移相全桥ZVS变换器主拓扑图

1.2电路工作原理

图2为移相全桥电路的工作模态示意图。以往

的全桥电路控制方式是使开关管Q1与Q4，Q2与Q3同时开通与关断，2对开关管交替开通与关断，每只开关管的导通时间小于1/2开关周期。而移相控制方式是对以往控制方式的一种改进，在保证变压器原边电压波形不变和同一桥臂上下开关管不直通的状态下，4只开关管始终是处于全脉宽(除死区外)导通状态。

如图2所示，Vgs为4个开关管的驱动波形，Q1(Q3)超前于Q4(Q2)α电角度开通，α即为移相角。通常将Q1与Q3构成的桥臂称为超前臂，Q2与Q4构成的桥臂为滞后臂。通过调节移相角α的大小即可调节变压器原边交流方波电压占空比，从而调节输出电压的大小。

图2　移相全桥ZVS变换器工作模态

1.3软开关实现原理

移相全桥ZVS的实现主要是依靠变压器漏感和外接谐振电感中的储能对并联在开关管两端的电容和寄生电容充放电，并利用开关管体二极管的导通箝压，使得开关管实现零电压开通。如图2所示，t0～t1期间超前臂发生谐振，在t1时刻开关管Q3的漏源之间电压谐振到零，之后谐振电流经体二极管续流，维持Q3漏源极之间的零电压，在此状态下施加Q3开通信号，即可实现Q3的零电压开通。同样在t2～t3时间段内，滞后臂发生谐振，Q2在t4时刻实现零电压开通。依次类推Q1、Q4都能实现零电压开通。不同的是发生超前臂谐振时，实现ZVS的能量主要由变压器漏感、外接谐振电感Lr和输出滤波电感提供；而滞后臂谐振时，实现ZVS的能量主要由变压器漏感和外接谐振电感提供。一般漏感储能较少，在轻载的时候，滞后臂实现ZVS较为困难[2-4]。

2移相全桥ZVS变换器仿真

2.1仿真模型

本文设计的移相全桥ZVS变换器电路仿真模型如图3所示。图中功率电路主拓扑采用图1的拓扑结构，变压器一次侧采用移相全桥拓扑结构，变压器二次侧采用全波整流结构。系统仿真参数如下：输入电压为直流435 V，输出电压为50 V，输出功率为500 W，开关频率为300 kHz，谐振电感Lr，感量为100 μH，变压器取变比K=7，输出滤波电感Lf感量为15 μH，输出滤波电容Cf容量取220 μF。

图3　移相全桥电路仿真图

图3中PI控制器即为仿真电路的控制部分，本文采用的是电压单环控制策略，通过PI控制器控制实现输出稳压。在图3中的脉宽调制(PWM)驱动模块里，通过π与前级PI控制器输出做差后即可得到所需的移相角。具体产生驱动信号，则在PWM驱动模块里通过Simlink中的传输延迟器件，在由脉冲产生器产生的互补信号基础上分别设置对应的需延迟的移相角，即可实现动态调节移相角的开关管驱动。

2.2移相全桥ZVS变换器仿真结果

仿真模型系统根据电路的状态产生合适的移相角，使得输出电压趋于稳定。图4所示自上而下分别为开关管Q1～Q4的驱动信号。为避免直通，同一桥臂上下开关管驱动存在死区，同时对角开关管(Q1与Q4、Q3与Q2)相差一定的移相角才相继导通。

图4　开关管驱动信号

图5中自上而下分别为满载时输出电压与电流的波形图。 从图5可以看出，电路系统稳定时，其输出电压稳定在50 V左右，电流稳定在10 A左右，且电压纹波较小，满足所需设计的输出要求。在系统仿真初期，电路未达稳定状态，输出电压有一超调，经过环路调节后，系统很快达到稳定状态。

图5　满载时输出波形

图6中自上而下分别为变压器一次侧电压波形和二次侧电压波形。对比图6中一次侧、二次侧电压波形可以看出，变压器二次侧的占空比小于一次侧占空比，这是由于谐振状态的存在，导致二次侧发生占空比丢失[2-3]。

图6　变压器一次侧、二次侧电压波形

如前文所述可知，软开关在负载较重时容易实现，并且移相全桥ZVS变换器的超前臂较滞后臂更容易实现ZVS，所以只要满足使滞后臂实现ZVS，就可使超前臂实现ZVS。图7自上而下依次为滞后臂开关管漏源电压波形和对应的驱动波形，从图中可以看出在开关管导通前，漏源两端电压已降为零，在开关管关断后，漏源两端电压开始线性上升，从而实现软开关功能。

图7　滞后臂软开关波形

3试验结果

图8(a)所示为基于以上所述设计的电源样机，图8(b)为滞后臂软开关波形图。波形图中CH1为

滞后臂开关管驱动波形(横轴：500 ns/格，纵轴：5 V/格)，CH2为开关管漏源电压波形(横轴：500 ns/格，纵轴：500 V/格)。从图中可看出滞后臂开关管开通时，开关管漏源电压已降为0 V，即样机实现了零电压开通功能。

4结束语

本文针对大中功率开关电源的软开关电路进行了仿真研究。仿真及试验结果表明，设计的系统输出达到所需的要求，零电压开通功能得以实现。通过对拓扑结构及模型参数修改，本方法同样适用于高压电源仿真设计。另外，数字化也是开关电源未来发展的一个重要方向。

本文中除了拓扑电路为必备的硬件外，针对电路的控制策略即所设计的PWM调制模块和PI控制器模块均可实现数字化，可作为后续数字化电源的研究参考。

图8　电源样机及滞后臂软开关波形

参考文献

[1]张占松,蔡宣三.开关电源的原理与设计[M].北京：电子工业出版社,2000.

[2]孙筱琳.50V/50A移相全桥ZVS DC/DC变换器的设计[D].哈尔滨：哈尔滨理工大学,2008.

[3]李伟东.大功率全桥移相软开关电源的研究[D].成都：西南交通大学,2004.

[4]邱爽,王志强.ZVS移相全桥变换器的建模与仿真[J].通信电源技术,2008,25(4):6-8.

Study of PSFB-ZVS Circuit

LI Qun

(The 723 Institute of CSIC,Yangzhou 225001,China)

Abstract:The performances (such as volume,efficiency) of the power supply with middle-high power are improved greatly by using the soft-switch technology.This paper performs simulative study to the soft-switch circuit of a switch power supply with middle-high power.The circuit adopts topology structure of phase-shifted full-bridge zero voltage switching (PSFB-ZVS) converter,applies the proportion integration (PI) controller and the phase-shifted angle adjustment technique to realize the stable output of voltage,and accomplishes zero voltage switching by means of 4 switch tubes.The experiment result shows that the designed power supply has good performance and can be taken as the reference of future digital power supply study.

Key words:phase-shifted full-bridge;soft-switch technology;Matlab simulation

DOI:10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.01.024

中图分类号：TN710

文献标识码：A

文章编号：CN32-1413(2016)01-0105-04

收稿日期:2015-01-19