移相全橋軟開關(guān)變換器的研究和設(shè)計(jì)

王 鑫

（賀州學(xué)院，廣西賀州，542800）

移相全橋軟開關(guān)變換器的研究和設(shè)計(jì)

王 鑫

（賀州學(xué)院，廣西賀州，542800）

DC/DC變換器主要向著高效率、高功率密度、高質(zhì)量輸出和高可靠性方向發(fā)展。移相全橋軟開關(guān)變換器的研究在這方面也顯得較為突出。本文主要針對(duì)變換器的性能進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)一種能夠?qū)崿F(xiàn)升壓的高效隔離DC-DC變換器，并使之廣泛應(yīng)用。

軟開關(guān)； 移相全橋； 變換器

0 引言

為克服DC-DC PWM（脈沖調(diào)制）功率變換器在硬開關(guān)狀態(tài)下工作的諸多問題，軟開關(guān)技術(shù)在DC/DC變換器中的使用越來越普遍，移相全橋軟開關(guān)DC/DC變換器的使用，已成為趨勢(shì)。軟開關(guān)技術(shù)是使功率變換器得以高頻化的重要技術(shù)之一，是80年代初由美國弗吉尼亞電力電子中心李澤元教授首先提出并應(yīng)用于DC / DC變換器中，其特點(diǎn)是減少開關(guān)損耗、降低電磁干擾，大大提高了變換器的效率。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

在一切電器設(shè)備重，都需要電源來進(jìn)行設(shè)備的控制，可見電源的重要性。由于開關(guān)電源的便捷性，已經(jīng)占領(lǐng)電源市場(chǎng)的大部分，并取代了線性電源。隨著人民生活水平的提高和信息科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)的開關(guān)已經(jīng)不能滿足人們的需求，而隨著人們對(duì)開關(guān)損耗小，工作效率高等要求，軟開關(guān)進(jìn)入人們的眼球，且倍受青睞。

目前，國內(nèi)外主要使用的開關(guān)技術(shù)是硬開關(guān)技術(shù)，硬開關(guān)存在以下缺點(diǎn)：開關(guān)耗損大、感性管段電尖峰大、容性開通電流尖峰大、電磁干擾嚴(yán)重，這些問題嚴(yán)重阻礙了開關(guān)元器件的工作效率的提高。為了改善硬開關(guān)的這些缺點(diǎn)，人們?cè)O(shè)計(jì)研了軟開關(guān)來取代硬開關(guān)。近年來，各國的專家學(xué)者開始重視軟開關(guān)技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用軟開關(guān)的電子產(chǎn)品也正在逐漸的增加，軟開關(guān)技術(shù)也越來越完善，其應(yīng)用也將會(huì)越來越廣泛。

1.2 開關(guān)電源的發(fā)展趨勢(shì)

近年來，隨著科技的發(fā)展和電子技術(shù)的提高，數(shù)字化發(fā)展已經(jīng)成為電子行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，數(shù)字控制的優(yōu)勢(shì)日益凸顯。數(shù)字化控制具有以下優(yōu)勢(shì)：

（1）系統(tǒng)緊湊，有較強(qiáng)的通用性，性價(jià)比高。數(shù)字控制的硬件設(shè)計(jì)緊湊，通用性能強(qiáng)，可以在多個(gè)元器件上使用，使其達(dá)到較高的性價(jià)比。

（2)靈活性較強(qiáng)，能夠隨時(shí)修改。數(shù)字控制系統(tǒng)中，可以直接改變程序控制，電路結(jié)構(gòu)不需改變，不但保證了電路的元器件，還提高了設(shè)備的性能，靈活性較強(qiáng)，可以進(jìn)行自我控制。

（3)能夠從根本上提高系統(tǒng)的性能指標(biāo)。由于受到各方面的影響，電路往往達(dá)不到理想的運(yùn)行狀態(tài)，且進(jìn)行電路優(yōu)化時(shí)比較困難，而數(shù)字化控制能夠克服電路的負(fù)載等方面的影響，使電路的工作狀態(tài)更加趨于理想化狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)功率的提高。

（4)抗干擾能力強(qiáng)，能夠使電路更加趨于穩(wěn)定和高效性。通過數(shù)字控制使電路的狀態(tài)變化更加明顯，將外界的干擾降至最低。同時(shí)，數(shù)字控制能夠控制元器件的老化，簡化電路的原酸，使電路更加精準(zhǔn)精確。

（5)便于實(shí)現(xiàn)電路的控制，可提高電路的自動(dòng)化程度和可靠性。數(shù)字化發(fā)展將為電路的控制提供廣闊的發(fā)展空間。

2 軟開關(guān)的原理和實(shí)現(xiàn)

2.1 軟開關(guān)的基本概念

開關(guān)變換器的耗損問題嚴(yán)重影響著開關(guān)的工作效率的提高，而軟開關(guān)的出現(xiàn)是解決開關(guān)耗損的重要變革。軟開關(guān)（Soft-Switching）是相對(duì)硬開關(guān)(Hard-Switching)而言的。軟開關(guān)主要是應(yīng)用電容與電感諧振的原理，開關(guān)在開通前電壓先下降到零，關(guān)斷前電流先下降到零，電壓電流按正弦規(guī)律變化，大大地降低了在開關(guān)過程中電壓、電流的變化，將開關(guān)的耗損降到最低。與此同時(shí)，由于諧振過程使在開關(guān)過程中電壓和電流的變化率受到了限制，所以大幅度地減小了開關(guān)的噪聲。這樣的電路被稱為軟開關(guān)電路，而這樣的開關(guān)過程也被稱為軟開關(guān)（Soft-Switching）。

2.2 軟開關(guān)的分類

軟開關(guān)主要分為兩大類：一類是零電壓開關(guān)，一類是零電流開關(guān)。再具體的話，可以細(xì)分為零電壓開通、零電壓斷開、零電流開通和零電流斷開。

零電壓開通：開關(guān)開通前其兩端電壓為零，則開通時(shí)不會(huì)產(chǎn)生損耗和噪聲。

零電流關(guān)斷：開關(guān)關(guān)斷前其電流為零，則關(guān)斷時(shí)不會(huì)產(chǎn)生損耗和噪聲。

零電壓關(guān)斷：與開關(guān)并聯(lián)的電容能延緩開關(guān)關(guān)斷后電壓上升的速率，從而降低關(guān)斷損耗。

零電流開通：與開關(guān)串聯(lián)的電感能延緩開關(guān)開通后電流上升的速率，降低了開通損耗。

2.3 軟開關(guān)變換器的拓?fù)浞治?/p>

軟開關(guān)在取代硬開關(guān)的同時(shí)，對(duì)于開關(guān)功率的效率的提升也是很明顯的，并且使開關(guān)電源得到了高頻化發(fā)展。目前，按照電路的調(diào)制方式，軟開關(guān)可分為兩種：PFM軟開關(guān)和PWM軟開關(guān)。

PFM軟開關(guān)不利于電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要是因?yàn)槠涔ぷ黝l率波動(dòng)頻繁，且電源結(jié)構(gòu)簡單，只適用于負(fù)載、輸入電壓相對(duì)穩(wěn)定的場(chǎng)所。屬于PFM控制方式的變換器有以下幾種：

（1）全諧振變換器

全諧振變換器（Resonant Converters）又稱為諧振變換器，是一種負(fù)載諧變換器，主要有兩類：一類是SRCs，一類是PRCs。根據(jù)負(fù)載與諧振電路的連接可分為：SLRCs和PLRCs。全諧振變換器中諧振元件參與能量的變換，一直工作，且對(duì)負(fù)載的變化十分靈敏，所以采用的是PFM調(diào)制方式。

（2）準(zhǔn)諧振變換器

準(zhǔn)諧振變換器可分為三種電路：ZVS QRC、ZCS QRC、ZVS MRC。準(zhǔn)諧振的應(yīng)用降低了電路開關(guān)的損耗和噪聲，但是由于準(zhǔn)諧振的電壓峰值較高，所以對(duì)于元器件的耐壓要求較高，同時(shí)，大量無功功率的交換導(dǎo)致了電路的耗損較大，諧振電路的諧振周期隨著輸入電壓和負(fù)載的變化而變化，所以采用了PFM調(diào)制方式。

PWM軟開關(guān)的設(shè)計(jì)，大大優(yōu)化了磁性元器件，工作在恒頻模式下，在軟開關(guān)中廣泛應(yīng)用PWM軟開關(guān)，目前，市面上主要采用的PWM控制方式的開關(guān)有三種：

（1）零開關(guān)PWM電路

零開關(guān)PWM電路主要是應(yīng)用于開關(guān)過程的前后，使諧振發(fā)生，輔助開關(guān)控制諧振。兩開關(guān)PWM電路分為ZVS PWM和ZCS PWM。這兩種電路的好處在于降低開關(guān)承受的電壓，電流電壓的變化比較緩慢。

（2）零轉(zhuǎn)換PWM電路

零轉(zhuǎn)換PWM電路的特點(diǎn)是使電路中的無功功率大大降低，提高電路的效率。零轉(zhuǎn)換PWM電路的諧振電路并聯(lián)主開關(guān)，減少了輸入電壓和負(fù)載電流對(duì)諧振的影響，使開關(guān)在任何時(shí)刻都能處于軟開關(guān)狀態(tài)。零轉(zhuǎn)換PWM電路分為：ZVT PWM和ZCT PWM。

（3）移相全橋軟開關(guān)變換器

移相全橋軟開關(guān)變換器最大的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，功率利用率高，輸出功率大，應(yīng)用廣泛。下文將針對(duì)移相全橋變換器做出詳細(xì)的闡述。

3 移相全橋軟開關(guān)變換器

最早的移相全橋軟開關(guān)變換器是FB-ZVS-PWM變換器，隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展，逐漸出現(xiàn)了FB-ZVZCS-PWM變換器和FBZCS-PWM變換器，現(xiàn)在又設(shè)計(jì)研究了一系列全新的移相全橋變換器，移相全橋變換器的發(fā)展十分迅速，前景也十分廣闊。

目前，國內(nèi)外DC-DC變換器電路中，最常見的電路拓?fù)涫侨珮蜃儞Q器電路拓?fù)洹Ｔ蛟谟谌珮蜍涢_關(guān)變換器電路具有軟開關(guān)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)，全橋變換器還有兩種的供電方式，一種是電壓源供電，一種是電流源供電，因此，全橋變換電路分為兩類：一類是電壓源型，一類是電流源型。在實(shí)際應(yīng)用中中，全橋變換電路中電壓源型的DC-DC變換器應(yīng)用更加廣泛。

移相全橋軟開關(guān)變換器中，F(xiàn)B-ZVZCS-PWM變換器在實(shí)際生活中的應(yīng)用較為廣泛，它克服了零電壓PWM變換器的缺點(diǎn)，采用了次級(jí)耦合電感，使原邊電流能夠復(fù)位，同時(shí)還設(shè)計(jì)了抑制副邊整流管的過沖和振蕩拓?fù)潆娐?。移相PWM控制方式將振諧技術(shù)與脈寬調(diào)制技術(shù)相結(jié)合，有效的利用振諧元件，實(shí)現(xiàn)在零電壓的情況下，開關(guān)頻率恒定，不但減少了開關(guān)的耗損，減低了噪聲，還提高了電路的工作效率，同時(shí)，移相全橋軟開關(guān)變換器還具有結(jié)構(gòu)簡單，控制便捷，開關(guān)恒頻，對(duì)元器件的損傷小等諸多優(yōu)點(diǎn)。

4 結(jié)語

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和電子信息技術(shù)的發(fā)展，各種變換器正在市場(chǎng)上逐漸占領(lǐng)高地，移相全橋軟開關(guān)變化器的研究與設(shè)計(jì)主要是為了研制出高效的升壓隔離DC-DC變換器，為新能源汽車、電力儲(chǔ)能系統(tǒng)和可再生能源開發(fā)等方面提供幫助。

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王鑫，姓別：男，籍貫：云南麗江，單位：賀州學(xué)院，學(xué)歷職稱：大學(xué)本科 助理館員，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