四种典型的改进型ZVS全桥变换器的研究

雷静静 ，朱允龙

（贵阳职业技术学院，贵州贵阳，550081）

四种典型的改进型ZVS全桥变换器的研究

雷静静 ，朱允龙

（贵阳职业技术学院，贵州贵阳，550081）

移相全桥变换器具有开关器件电压应力小、功率变压器利用率高等特点，目前常被应用在中大功率的开关电源中。本文主要针对基本移相控制ZVS全桥变换器拓扑结构优缺点，介绍四种典型的改进方案，并对这四种典型电路的拓扑结构的优缺点进行了对比。

移相全桥；ZVS；拓扑结构

0 引言

随着现代通讯技术的飞速发展，开关电源已广泛应用于电力、通信、交通等各个领域，并取得了显著的经济效益。对开关电源的重量、体积、可靠性和效率等提出了更高的要求。而应用于通讯电源的移相全桥DC/DC变换器作为中大功率开关电源的首选拓扑，与基本的硬开关主电路拓扑相比，移相全桥变换器以其自身的诸多优点在功率变换的众多场合倍受欢迎。

移相全桥变换器具有开关器件电压应力小、功率变压器利用率高等特点，目前常被应用在中大功率的开关电源中。软开关技术的发展，解决了硬开关全桥变换器所带来的负面影响。本文主要针对基本移相控制ZVS全桥变换器拓扑结构优缺点，介绍四种典型的改进方案。

1 基本移相控制ZVS全桥变换器的特点

1.1 移相控制ZVS全桥变换器的优势

（1）实现开关管的ZVS，在很大程度上降低了开关损耗，且提高了开关频率，使变压器、滤波电感和滤波电容的体积减小了，从整体上减小了开关电源模块的体积。

（2）开关频率是恒定的，有利于优化设计。

（3）元器件的电压应力和电流应力均比较小。

（4）相比传统PWM硬开关变换器，只增加了一个谐振电感，电路的成本和复杂程度没有变化。

1.2 移相控制ZVS全桥变换器的劣势

移相控制ZVS PWM全桥变换器也存在一些缺点。

在笔者多年的教学经历中发现，很多学生平时在词汇积累方面下的功夫可谓不少，但在考试或阅读的时候，他们的词汇量仍表现得不是很充足，特别是能输出的词汇量更是少之又少，甚至有的学生词汇量仍滞留在高中阶段的水平线上。究其原因，主要在于：

（1）滞后桥臂实现ZVS较困难。由于为滞后桥臂实现ZVS提供能量的仅是谐振电感中的能量，实现ZVS的负载范围比较窄。要想使滞后桥臂能在较宽的负载范围内实现ZVS，那么能改变的只有谐振电感和滞后桥臂并联电容的值。

（2）原边的谐振电感的存在是导致占空比丢失的主要原因。原边谐振电感的值越大，占空比丢失越厉害；为了得到一定的输出电压，变压器的原副边匝比必须减小，但匝比减小会导致原边电流的增加和副边整流二极管电压应力的增加。

（3）输出整流二极管换流时，变压器漏感（或附加的谐振电感）和二极管的结电容之间的振荡会使副边有尖峰电压的存在，二极管需承受很高的尖峰电压，需要吸收电路。

由上述的分析我们知道，基本移相控制ZVS全桥变换器的缺点影响了它的使用，针对基本移相全桥变换器的缺点，众多学者提出了相应的改善方案。针对滞后桥臂实现ZVS比较困难和占空比丢失的问题，提出了使用饱和电感代替普通电感的方案和使用辅助网络方案；针对输出整流二极管需承受很高的尖峰电压的问题，提出了在变压器原副边加箝位电路的方案。这里将进行简单的介绍。

2 几种典型的改进型移相ZVS全桥变换器

2.1 原边使用饱和电感

饱和电感法是在变压器的原边将饱和电感替代谐振电感与主变压器串联，如图2.12所示。换流初期，原边电流很大，饱和电感铁芯处于饱和状态，可以看作短路，电流瞬间降低，当降到临界值时，铁芯处于不饱和状态，这时电感会变得很大，原边电流线性下降并换流，当原边电流反向增大到固定值时，铁芯又处于饱和状态，电流又瞬间变大。与原来电流缓慢换向相比，换向时间减少了，占空比的丢失也减小了。

该变换器的优点是可在较宽的负载范围内实现开关管的ZVS，能减小占空比丢失，同时副边输出整流二极管的电压尖峰也得到一定的抑制。但是饱和电感发热问题比较严重，对变换器的安全可靠工作和整机效率的提高有很大的影响。

图1 原边使用饱和电感的变换器电路图

2.2 增加辅助LC谐振网络

图2 滞后臂上加LC谐振支路的全桥变换器电路图

2.3 增加有源辅助网络

图3 滞后臂并联有源辅助电路的全桥变换器电路图

这种方法是在基本全桥变换器的基础上增加了由一个辅助电感和两个辅助开关管组成的辅助网络，如图3所示。当滞后桥臂处于换流状态时，辅助电感中的电流与原边电流一起流进或者流出滞后桥臂，帮助滞后管实现ZVS。

该拓扑的优点是滞后桥臂可以在较宽范围内实现ZVS，占空比丢失小；不足之处是增加了两个辅助开关管及相应的驱动电路，拓扑的复杂性增加了，且两个开关管不能实现零电压关断，存在关断损耗。

2.4 增加箝位二极管

这种拓扑在基本移相控制ZVS PWM DC/DC全桥变换器的基础上，增加由一个谐振电感和两只箝位二极管组成的辅助电路，这个辅助电路即可与滞后桥臂相连，又可与超前桥臂相连，我们对这两种拓扑分别进行介绍。

2.4.1 辅助电路与滞后桥臂相连

该拓扑中辅助电路与变换器的滞后桥臂相连，电路结构如图4所示。此拓扑的优点是：开关管的软开关特性得以保持，同时滞后桥臂实现ZVS的范围拓宽了并有效的抑制了副边的寄生振荡。其缺点是箝位二极管在一个周期内导通两次，但只有一次对输出整流二极管上的电压尖峰起到抑制作用，另外的一次导通未起到箝位作用，由于两次导通增加了箝位二极管的电流有效值，同时带来了较大的开关损耗，不利于电源模块整体性能的提高。

图4 辅助电路与变换器的滞后桥臂相连的电路图

2.4.2 辅助电路与超前桥臂相连

该拓扑中辅助电路与变换器的超前桥臂相连，电路拓扑结构如图5所示。与图4的电路拓扑结构相比图5所示电路是将辅助电路的位置做了改变，使箝位二极管只在起到箝位作用时才导通，减小了原边环流，也能有效的去除副边整流二极管上的电压尖峰。

图5 辅助电路与变换器的超前桥臂相连的电路图

3 结论

以上四种改进策略，可以使变换器的滞后桥臂在较宽的负载范围内实现ZVS，且将副边占空比丢失降到最小。但是它们也存在各自的优点和缺点，第一种改进方法饱和电感发热问题比较严重，影响整机效率。第二种改进方法增加了滞后桥臂的导通损耗。第三种方法增加了拓扑的成本和复杂程度。第四种改进方法所用元件较少，结构简单，且实用性比较强。经过分析和比较可知第四种改进方法的电路的拓扑结构的优势最好。

[1]王兴贵,邹应炜,刘金龙.全桥型DC/DC开关电源的建模与控制[J].电力电子术,2007(07).

[2]皮之军.移相全ZVS变换器及其数字控制技术研究[D].武汉:华中科技大学硕士论文.2006(4).

Research on four typical improved ZVS full bridge converters

Lei Jingjing, Zhu Yunlong
（Guiyang Career Technical College,Guiyang Guizhou,550081）

Phase shifted full bridge converter has the characteristics of small voltage stress and high utilization ratio of power transformer, so it is often used in switching power supply of medium and high power. This paper mainly focuses on the advantages and disadvantages of the basic phase shifted control ZVS full bridge converter topology, introduces four typical improvement schemes, and compares the advantages and disadvantages of the four typical circuit topologies.

Phase shifted full bridge; ZVS; topolog