移相全桥整流二极管电压尖峰及震荡研究

张吴斌，吕国芳

（河海大学 江苏 南京　210000）

移相全桥整流二极管电压尖峰及震荡研究

张吴斌，吕国芳

（河海大学 江苏 南京210000）

针对移相全桥ZVS DC/DC变换器副边整流二极管存在很大尖峰电压和震荡，尖峰电压最大能够达到二极管正常工作电压的2倍，本文采用了副边加RCD辅助吸收电路的方法，通过在Saber上搭建仿真平台，并基于仿真试验研制一台输出功率为20KW的DC/DC变换器样机，达到了消除尖峰电压，抑制震荡的效果。

移相全桥；尖峰电压；吸收电路；仿真

移相全桥ZVS零电压PWM DC/DC变换器在大功率场合得到广泛应用，其利用谐振电感与开关管寄生电容和外加电容之间谐振，实现了开关管的零电压开断，其损耗小，并且结构简单，控制方便，是大功率DC/DC变换的理想拓扑之一。

但是，传统移相全桥ZVS PWM DC/DC变换器其副边整流二极管在关断时会产生很大的震荡和尖峰电压，其原因是原边谐振电感会与整流二极管寄生电容发生谐振，谐振会产生很高的尖峰电压和震荡，增加了损耗，严重影响二极管使用寿命。

我们可以从原边谐振电感与副边二极管寄生电容两方面入手，抑制并消除尖峰电压和震荡的产生。RC吸收电路[1]，通过在二极管并联吸收辅助网络能够有效消除电压尖峰和减轻电压震荡，但是必须每个整流二极管都并联电阻电容，增加了成本，并且存在较大损耗，发热严重。副边双谐振思想[2-3]，利用谐振电感与副边电容谐振，将二极管电压钳位在输出电压，有效的消除了电压尖峰和震荡，但是副边滤波电路只有电容滤波，相比于LC滤波，在速度和效果上明显不足。原边加钳位二极管[4]，其在抑制电压尖峰和震荡上效果显著，而且钳位二极管是自然关断，不存在反向恢复问题，但是许多工程实际中，漏感和谐振电感与变压器往往是一个整体，使得增加钳位二极管的方法很难实现。文中详细分析了RCD辅助吸收电路对抑制副边二极管电压尖峰和震荡的影响，并分析了器件参数的选择。

1　工作模态分析

移相全桥ZVS零电压软开关电路如图1所示。

图1　移相全桥ZVS零电压软开关电路Fig.1　Phase-shift full bridge ZVS zero voltage soft switching circuit

分析加入RCD吸收电路后，对抑制副边二极管电压尖峰和震荡的作用，主要波形如图2所示。

[t0-t1]在t0时刻以前，开关管VT1、VT4导通，副边整流二极管D5、D8导通，二极管 D6、D7寄生电容CD6、CD7中充满电荷，能量从输入端向负载传递。t0时刻VT1关断，C1开始充电，C3开始放电，UAB开始减小，副边电压Urect也减小，副边二极管寄生电容CD6、CD7开始放电。

[t1-t2]到t1时刻，C1充电至VC1=Uin，而C3放电至VC3=0，二极管D3导通续流，之后VT3导通。

图2　移相全桥主要波形Fig.2　phase-shift full bridge main waveform

[t2-t3]到t2时刻，原边电流下降到小于副边折算到原边电流，副边由于滤波电感L0较大，相当于一个恒流源，导致副边二极管全部导通，二极管寄生电容CD6、CD7放电结束，副边电压Urect=0。

[t3-t4]t3时刻VT4关断，电流不能突变，换流至电容C2和C4，C2由VC2=Uin开始放电，C4由VC4=0开始充电。

[t4-t5]在t4时刻，C2放电至VC2=0，C4充电至VC4=Uin，二极管D2导通，电流续流，之后VT2导通。

[t5-t6]t5时刻前，原边电流续流减小，在t5时刻过零，过零后电流经VT2、VT3反向增长。但是原边电流ip小于副边折算到原边电流，还不足以为负载提供电流：

副边整流二极管仍然全部导通，原边不能将能量传输至负载，造成占空比丢失，这个阶段越长，占空比损失越大。

[t6-t7]在t6时刻，原边电流ip增长到副边折算到原边电流整流管 D5、D8关断，其寄生电容CD5、CD8开始充电，本来谐振电感 Lr与CD5、CD8谐振工作产生很高的尖峰电压和震荡，但是，由于加入RCD吸收后，RCD中二极管D11导通，Lr与整流二极管寄生电容加上RCD中的电容C5一起谐振，而C5远远大于寄生电容，可以吸收掉Lr很大的能量，所以可以有效的抑制尖峰电压和震荡。

t8-t15的工作模式与t0-t7相同，只是方向不同而已，在此不在赘述。

2　RCD参数选择

由于是谐振电感Lr中存储的能量与电容发生谐振，辅助吸收电路通过增加电容来吸收谐振电感的能量，要设计出C5的大小，必须了解电感中能量的大小：

其中：Ip为原边电流大小。

吸收电容C5上电压主要是输出电压加上漏感引起的尖

在上式中，漏感是可以测量的，Ip也是可以计算的，U0是已知的，Up是可以期望的，因此就可以计算吸收电容的值。

确定吸收电容后，可以根据电容的放电公式计算吸收电阻。电容放电公式：

其中：t为吸收电容充放电时间。

根据上式可以计算τ值，然后根据τ=RC公式来计算吸收电阻。峰电压。在整流二极管关断时，谐振电感Lr与吸收电容C5谐振，C5通过吸收谐振电感Lr的能量，其上电压通过二极管D11很快升高到尖峰的最高值，之后电容上电压通过电阻R1向负载放电，电压会慢慢降低，但是，要保证电容上电压不会下降到低于输出电压，如果电容上电压低于输出电压，那么电容C5就会开始吸收来自原边期望传递给负载的能量，将降低模块的效率。

由于漏感的能量是由整流二极管和吸收电容来C5承受，而C5远远大于寄生电容，C5如果选择的太小，不能完全吸收掉Lr的能量，Lr仍会与电容发生谐振，产生很高的尖峰电压，起不到吸收的作用。可以根据期望的尖峰电压来设计吸收电容的大小，输出电压U0已知，期望的尖峰电压为Up，并且希望电容上的电压恰好放电到输出电压，C5不会在电压降低到输出电压后，吸收来自原边供给负载的能量，这样可以计算吸收电容的数值。在每个开关周期内，吸收电容电压吸收和释放的能量正好是谐振电感Lr的能量，因此有式（3）：

3　仿真试验及结果

为证明理论结果的真确性，利用saber进行仿真试验，按照移相全桥DC/DC变化器原理搭建仿真模型，设置相应的移相驱动信号。模型搭建完成后，开始仿真，设置仿真时间5 ms，步长2 us，打开Saber Scope观察仿真波形。

图3　二极管尖峰电压Fig.3　Diode peak voltage

在副边增加RCD辅助吸收电路后，二极管尖峰电压和震荡也得到了很大抑制，而且整流二极管两边电压左高右低，就是吸收电容先吸收能量，之后通过电阻向负载释放能量，如图4所示。

图4　试验结果Fig.4　Test results

4　试验结果

4.1试验参数

为了验证此方案的可行性，研制成功了一台500 V/20 A 的DC-DC样机，副边整流二极管采用RCD吸收。样机主要参数：开关管并联电容C1=C2=3.3 nF，谐振电感 Lr=2 μH，滤波电感L0=470 μH，滤波电容C0=420 μF，RCD吸收中的电阻R1=400 Ω，电容C5=1.8 μF。

4.2基本波形

组装试验装置，通电后，用示波器观察波形，移相全桥软开关ZVS如图4所示，它实现了零电压开通和零电压关断。

整流二极管两端电压，由于RCD吸收是通过原边电感与二极管寄生电容加上吸收电路中的产生谐振，远远大于整流二极管寄生电容，所以可以起到抑制二极管尖峰电压和震荡的效果，虽然不能从根本上消除震荡，但是也很好的抑制了尖峰和震荡。

RCD吸收电路中吸收电容两端的电压，周期性的谐振，吸收谐振电感的能量，再通过电阻释放到负载。

5　结　论

试验结果验证了理论的正确性。RCD辅助吸收电路实现简单，虽然增加了电路的复杂性，在电阻上会产生损耗，但是有效的抑制尖峰和震荡。利用理论研究结果，使用RCD辅助吸收电路研制了一台20KW DC/DC变换器，并验证了该拓扑在大功率场合具有很高的实用价值。

[1]皮之军，康勇.一种原边带箝位二极管的ZVS移相全桥变换器[J].通信电源技术，2006，23（2）:23-27.

[2]陈章勇，肖皓中，陈利，等.不对称控制全桥副边双谐振DCDC变换器[J].中国电机工程学报，2013，33（27）:78-87.

[3]肖皓中，许建平，陈章勇，等.副边双谐振软开关全桥直流变压器研究[J].电力自动化设备，2014，34（2）:132-136.

[4]周习祥，杨赛良.PS-FB-ZVS PWM DC/DC变换器中副边占空比丢失问题的研究[J].通信电源技术，2009，29（5）:47-49.

[5]王建秋，刘文生.saber仿真在移相全桥软开关电源研发中的应用[J].电力电子，2009（4）:30-33.

[6]李琳.带箝位二极管移相全桥（PSFB）变换器整流二极管振荡研究[J].电子设计工程，2014，22（2）:91-93.

[7]Jang Y，Jovanovic M.A new PWM ZVS full-bridge converter[J]. IEEE Transactions on Power Electron，2007，22（3）:987-994.

[8]赵清林，郑颖楠.次级采用辅助网络的ZVZCS PWM全桥变换器[J].电力电子技术，2002，36（4）:43-46.

Phase-shift full bridge rectifier diode voltage spike and oscillation research

ZHANG Wu-bin，LV Guo-fang
（Hohai University，Nanjing 210000，China）

there is a spike voltage and shock on phase-shift full bridge ZVS DC/DC converter vice side rectifier diode，maximum peak voltage can achieve twice the working voltage of the diode，this paper adopted the RCD method of auxiliary absorption circuit，by building the Saber simulation platform，based on simulation test and a power output of 20 kw DC/DC converter prototype，to eliminate the peak voltage，inhibit the effect of shock.

phase-shift full bridge；the peak voltage；absorbing circuit；simulation

TN710.2

A

1674－6236（2016）01-0191-03

2015-03-02稿件编号：201503028

张吴斌（1989—），男，江苏苏州人，硕士。研究方向：计算机控制。