加箝位绕组的软开关全桥变换器

鲁建粱，万华庆，方明杰



加箝位绕组的软开关全桥变换器

鲁建粱1，万华庆2，方明杰2

（1. 92730部队，海南三亚 572016；2. 武汉第二船舶设计研究所，武汉 430000）

本文在传统全桥变换器的变压器原边额外增加了一个箝位绕组和四只箝位二极管，由此提出加箝位绕组的软开关全桥变换器。分析所提出软开关全桥变换器的工作原理，并指出箝位绕组实现电压箝位的机理。研制了一台额定功率为2 kW的原理样机，对所提出的软开关全桥变换器进行了实验，并与仅加箝位二极管的软开关全桥变换器进行了对比，实验结果验证了理论分析的正确性。

全桥变换器 零电压开关 电压振荡 箝位二极管 箝位绕组

0 引言

全桥变换器广泛应用于中大功率的舰船电源、充电机电源和直流微网中。采用移相控制(Phase Shifted, PS)策略，利用高频隔离变压器的漏感或者额外的谐振电感，有助于原边开关管实现零电压开关(Zero-Voltage-Switching, ZVS)。具有控制简单，变换效率高等优点。

然而变压器漏感或谐振电感与输出整流二极管的结电容会产生谐振，导致整流桥输出电压上存在振荡和尖峰，增大了整流二极管的电压应力。为阻尼该电压振荡，可以加入RC或RCD等缓冲电路[1-4]。缓冲电路可以阻尼振荡，降低电压尖峰，但会引入额外的损耗，降低变换效率。为了阻断谐振电感与整流二极管的结电容谐振，Redl R等学者提出在变压器原边绕组与谐振电感之间加入两只箝位二极管[5-8]。当谐振电感与整流二极管谐振使得箝位二极管与谐振电感、变压器连接处的电位高于输入电压时，箝位二极管导通，并将谐振电感旁路。这样有效阻断谐振过程继续进行。相应地，整流二极管电压被箝位。文献[9]详细讨论了谐振电感与变压器二者的位置对箝位二极管工况的影响，指出当采用变压器与滞后桥臂连接时，在每个开关周期内，箝位二极管只会导通一次，且零状态时谐振电感电流较小，原边各元件的导通损耗会有所减小，变换效率会有所增加。然而，在箝位状态，谐振电感被箝位至零，其电流保持不变。由于输出滤波电感通常比谐振电感的感值大，因此其电流上升很缓慢。考虑到箝位二极管电流是滤波电感电流折算到原边电流与谐振电感电流之差，而箝位状态的谐振电感电感不变，因此箝位二极管电流下降很缓慢，其导通时间较长。相应地，超前桥臂开关管和箝位二极管导通损耗会增加，谐振电感的铁损也会增加。

文献[10]提出在变压器原边增加一个箝位绕组，一个缓冲电容和四只箝位二极管。当谐振电感和输出整流二极管的结电容谐振时，箝位绕组两端的感应电压会上升。当上升到输入电压时，箝位二极管导通，从而箝位住输出整流二极管的电压。需要注意的是，在箝位状态，缓冲电容并没有参与工作，它不能改善输出整流二极管的振荡过程。相反地，它会参与谐振电感与整流二极管结电容的谐振。此时，它与整流二极管的结电容并联。因此，缓冲电容会减小谐振网络的特征阻抗，使得谐振电流增大，导致原边元件的导通损耗增加，降低变换器效率。因此，本文提出去掉该箝位电容，保留四只箝位二极管，得到一种改进的加箝位绕组ZVS全桥变换器。本文首先介绍加箝位绕组ZVS全桥变换器的电路拓扑结构，然后分析其基本的工作原理，接着通过实验对比加箝位绕组ZVS全桥变换器和文献[9]提出的加箝位二极管ZVS全桥变换器的效率。

1 加箝位绕组的软开关全桥变换器电路拓扑

图1是去掉该箝位电容，保留四只箝位二极管的改进型加箝位绕组ZVS全桥变换器电路拓扑。其中，1~4与1~4分别是全桥变换器的开关管和反并二极管，1~4为它们的寄生结电容或外加结电容；T为高频隔离变压器，为原副边绕组的匝比，W为箝位绕组，原边绕组与它的匝比为K。K略大于1；D1~D4是四只箝位二极管，用来旁路谐振电感L，阻止L与输出整流二极管D1~D4的结电容C1~C4之间的电压振荡，消除电压尖峰；滤波电感L和滤波电容C组成输出器，用来消除开关频率次的谐波，保证负载R两端为期望的恒定电压。同样地，该全桥变换器也可以采用移相控制来实现ZVS开关。其中，1和3分别超前于4和2，故定义前者组成的桥臂为超前桥臂，后者组成的桥臂为滞后桥臂。

在分析图1所示的全桥变换器的工作原理之前，先作如下假设：

1) 所有原边的开关管和二极管均为理想元件。四只整流二极管均等效为一个理想的二极管和一个等效的电容并联，该电容模拟二极管的反向恢复；

2) 变压器、谐振电感、滤波电感和滤波电容均为理想元件，变压器漏感为0；

3)13C，24C，C=C(=1~4)；

4)L>>L/2。

图1 加箝位绕组的软开关全桥变换器

2 工作原理

图2为所提出改进型加箝位绕组ZVS全桥变换器稳态时的关键工作波形。在半个开关周期内，变换器共有9个工作模态，我们选取部分典型模态进行分析，它们的等效电路如图3或图4所示。在分析工作模态之前，先假设0时刻之前变换器正处于如下状态：1与4导通，副边D1与D4导通，能量由原边传递到副边。

图2 关键工作波形V

2.1 模态1

在0时刻关断1，原边电流i将对1充电，3放电，点的电压将下降。由于1与3的电压不能突变，因此1可近似为零电压的关断。如图3所示，L将与1、3、C2、C3谐振，变压器原边电流i、C2和C3的电压、变压器副边电压以及原边电压v都下降。谐振过程中，点一直为零，v始终低于输入电压V。考虑到匝比K略大于1，故箝位绕组的电压也低于V，这说明箝位二极管D1~D4都处于截止状态。将C2和C3折算至原边，可得图4(a)所示的等效电路。其中，C'=C/2。

图3 模态8的等效电路

图4 模态1的进一步等效电路

根据图4可得i和1、3、C'的电压：

(1) (2)

式(1)~(4)中，1为0时刻原边电流的值，1和Z1分别为：

(3) (4)

实际中，[0,1]阶段持续的时间很短，可近似认为v1和v3是线性变化的，即：

(5) (6)

1时刻，模态1结束。此时v1上升到V，同时v3下降到零，3自然导通，该模态持续时间为：

(7)

3自然导通后，3被箝为零，意味着3可以实现ZVS开通。为保证ZVS的可靠完成，3与1的死区时间t(lead)需大于模态1持续的时间，即：

(8)

2.2 开关模态8

D2和D3关断之后，L与C1、C4谐振工作，v为：

(9)

可以看出，v虽然有振荡，但其最高幅值不会超过KV/。并且，由于实际电路中存在寄生电阻，该振荡会逐渐衰减，v最终稳定在其平均值V。

到9时刻，关断3，开关模态8结束，变换器将开始另半个周期的工作，其工作情况与上述半个周期类似，这里不再赘述。

3 实验结果与分析

在实验室研制了一台输出功率为2 kW的原理样机，如图5所示。为了体现本文所提出的加箝位绕组的ZVS全桥变换器的优点，在该样机上同时进行了文献[9]提出的加箝位二极管ZVS全桥变换器实验，并对二者进行对比。为保证对比的合理性，两种变换器所用的电路参数如表1所示。

表1 原理样机参数

图5 原理样机

图6 两种ZVS全桥变换器满载时的实验波形

图6(a)为加箝位二极管ZVS全桥变换器的实验波形。从上到下依次为桥臂中点电压v，整流输出电压v，变压器原边电流i，谐振电感电流i和箝位二极管D1、D3电流i1、i3。可见，v的电压振荡和电压尖峰基本消除了，但是箝位二极管的电流i1和i3下降速率很慢，导通时间较长。图6(b)为加箝位绕组ZVS全桥变换器的实验波形。可见，除了在箝位状态i有所不同之外，这两种变换器的其它工作波形都是一致的。与图6(a)相比，图6(b)中箝位二极管的电流下降速度变快了，导通时间相应明显缩短了。

图7 两种ZVS 全桥变换器的效率曲线

图7给出了两种ZVS 全桥变换器的效率对比情况。图7(a)为额定输入电压270 V下不同负载的效率曲线。可见，随着负载电流的增加，两种ZVS全桥变换器的效率都是先上升后下降。这是因为负载较轻时，开关管是硬开关，开关损耗相对于导通损耗较大；随着负载电流的增大，开关管实现了软开关，开关损耗可以忽略，效率升高；但负载电流继续增大时，导通损耗会增加，使得效率降低。图7(b)为满载时不同输入电压的效率曲线。可见，两种ZVS全桥变换器的效率都随输入电压的升高而降低。这是因为随着输入电压的升高，原边开关管续流时间变长，从而增加了变换器的导通损耗。

从图7(a)和(b)可以看出，加箝位绕组ZVS全桥变换器的效率整体比箝位二极管ZVS全桥变换器高。加入箝位绕组之后，箝位二极管的导通时间明显缩短了，见图6(b)，从而降低了超前桥臂开关管和箝位二极管的导通损耗，以及谐振电感的铁损。另外，两种ZVS全桥变换器在额定输入电压270 V时的最高效率分别为95.42%和95.64%。由此证明了本文提出的加箝位绕组ZVS全桥变换器具备更高的变换效率。

4 结论

本文提出了一种加箝位绕组的ZVS全桥变换器，分析了其基本的工作原理。该变换器突出的优点是，箝位绕组不仅可以消除副边整流二极管电压振荡和电压尖峰，而且还可以加速箝位二极管电流快速复位，有效减小流过开关管、箝位二极管和谐振电感的电流，提高变换器效率。将其与加箝位二极管的ZVS全桥变换器进行对比，实验结果验证了理论分析的正确性。

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Soft Switch Full-Bridge Converter with Clamp Winding

Lu Jianliang1, Wan Huaqing2, Fang Mingjie2

（1. 92730 Unit, Sanya 572016, Hainan, China; 2. Wuhan Second Ship Design and Research Institute, Wuhan 430000, China）

TM46

A

1003-4862（2019）09-0035-05

2018-04-19

鲁建粱(1981-)，男，工程师。研究方向：核动力控制。E-mail: 35399412@qq.com