移相全橋整流二極管電壓尖峰及震蕩研究

張吳斌，呂國(guó)芳

（河海大學(xué) 江蘇 南京　210000）

移相全橋整流二極管電壓尖峰及震蕩研究

張吳斌，呂國(guó)芳

（河海大學(xué) 江蘇 南京210000）

針對(duì)移相全橋ZVS DC/DC變換器副邊整流二極管存在很大尖峰電壓和震蕩，尖峰電壓最大能夠達(dá)到二極管正常工作電壓的2倍，本文采用了副邊加RCD輔助吸收電路的方法，通過(guò)在Saber上搭建仿真平臺(tái)，并基于仿真試驗(yàn)研制一臺(tái)輸出功率為20KW的DC/DC變換器樣機(jī)，達(dá)到了消除尖峰電壓，抑制震蕩的效果。

移相全橋；尖峰電壓；吸收電路；仿真

移相全橋ZVS零電壓PWM DC/DC變換器在大功率場(chǎng)合得到廣泛應(yīng)用，其利用諧振電感與開(kāi)關(guān)管寄生電容和外加電容之間諧振，實(shí)現(xiàn)了開(kāi)關(guān)管的零電壓開(kāi)斷，其損耗小，并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制方便，是大功率DC/DC變換的理想拓?fù)渲弧?/p>

但是，傳統(tǒng)移相全橋ZVS PWM DC/DC變換器其副邊整流二極管在關(guān)斷時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的震蕩和尖峰電壓，其原因是原邊諧振電感會(huì)與整流二極管寄生電容發(fā)生諧振，諧振會(huì)產(chǎn)生很高的尖峰電壓和震蕩，增加了損耗，嚴(yán)重影響二極管使用壽命。

我們可以從原邊諧振電感與副邊二極管寄生電容兩方面入手，抑制并消除尖峰電壓和震蕩的產(chǎn)生。RC吸收電路[1]，通過(guò)在二極管并聯(lián)吸收輔助網(wǎng)絡(luò)能夠有效消除電壓尖峰和減輕電壓震蕩，但是必須每個(gè)整流二極管都并聯(lián)電阻電容，增加了成本，并且存在較大損耗，發(fā)熱嚴(yán)重。副邊雙諧振思想[2-3]，利用諧振電感與副邊電容諧振，將二極管電壓鉗位在輸出電壓，有效的消除了電壓尖峰和震蕩，但是副邊濾波電路只有電容濾波，相比于LC濾波，在速度和效果上明顯不足。原邊加鉗位二極管[4]，其在抑制電壓尖峰和震蕩上效果顯著，而且鉗位二極管是自然關(guān)斷，不存在反向恢復(fù)問(wèn)題，但是許多工程實(shí)際中，漏感和諧振電感與變壓器往往是一個(gè)整體，使得增加鉗位二極管的方法很難實(shí)現(xiàn)。文中詳細(xì)分析了RCD輔助吸收電路對(duì)抑制副邊二極管電壓尖峰和震蕩的影響，并分析了器件參數(shù)的選擇。

1　工作模態(tài)分析

移相全橋ZVS零電壓軟開(kāi)關(guān)電路如圖1所示。

圖1　移相全橋ZVS零電壓軟開(kāi)關(guān)電路Fig.1　Phase-shift full bridge ZVS zero voltage soft switching circuit

分析加入RCD吸收電路后，對(duì)抑制副邊二極管電壓尖峰和震蕩的作用，主要波形如圖2所示。

[t0-t1]在t0時(shí)刻以前，開(kāi)關(guān)管VT1、VT4導(dǎo)通，副邊整流二極管D5、D8導(dǎo)通，二極管 D6、D7寄生電容CD6、CD7中充滿電荷，能量從輸入端向負(fù)載傳遞。t0時(shí)刻VT1關(guān)斷，C1開(kāi)始充電，C3開(kāi)始放電，UAB開(kāi)始減小，副邊電壓Urect也減小，副邊二極管寄生電容CD6、CD7開(kāi)始放電。

[t1-t2]到t1時(shí)刻，C1充電至VC1=Uin，而C3放電至VC3=0，二極管D3導(dǎo)通續(xù)流，之后VT3導(dǎo)通。

圖2　移相全橋主要波形Fig.2　phase-shift full bridge main waveform

[t2-t3]到t2時(shí)刻，原邊電流下降到小于副邊折算到原邊電流，副邊由于濾波電感L0較大，相當(dāng)于一個(gè)恒流源，導(dǎo)致副邊二極管全部導(dǎo)通，二極管寄生電容CD6、CD7放電結(jié)束，副邊電壓Urect=0。

[t3-t4]t3時(shí)刻VT4關(guān)斷，電流不能突變，換流至電容C2和C4，C2由VC2=Uin開(kāi)始放電，C4由VC4=0開(kāi)始充電。

[t4-t5]在t4時(shí)刻，C2放電至VC2=0，C4充電至VC4=Uin，二極管D2導(dǎo)通，電流續(xù)流，之后VT2導(dǎo)通。

[t5-t6]t5時(shí)刻前，原邊電流續(xù)流減小，在t5時(shí)刻過(guò)零，過(guò)零后電流經(jīng)VT2、VT3反向增長(zhǎng)。但是原邊電流ip小于副邊折算到原邊電流，還不足以為負(fù)載提供電流：

副邊整流二極管仍然全部導(dǎo)通，原邊不能將能量傳輸至負(fù)載，造成占空比丟失，這個(gè)階段越長(zhǎng)，占空比損失越大。

[t6-t7]在t6時(shí)刻，原邊電流ip增長(zhǎng)到副邊折算到原邊電流整流管 D5、D8關(guān)斷，其寄生電容CD5、CD8開(kāi)始充電，本來(lái)諧振電感 Lr與CD5、CD8諧振工作產(chǎn)生很高的尖峰電壓和震蕩，但是，由于加入RCD吸收后，RCD中二極管D11導(dǎo)通，Lr與整流二極管寄生電容加上RCD中的電容C5一起諧振，而C5遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于寄生電容，可以吸收掉Lr很大的能量，所以可以有效的抑制尖峰電壓和震蕩。

t8-t15的工作模式與t0-t7相同，只是方向不同而已，在此不在贅述。

2　RCD參數(shù)選擇

由于是諧振電感Lr中存儲(chǔ)的能量與電容發(fā)生諧振，輔助吸收電路通過(guò)增加電容來(lái)吸收諧振電感的能量，要設(shè)計(jì)出C5的大小，必須了解電感中能量的大小：

其中：Ip為原邊電流大小。

吸收電容C5上電壓主要是輸出電壓加上漏感引起的尖

在上式中，漏感是可以測(cè)量的，Ip也是可以計(jì)算的，U0是已知的，Up是可以期望的，因此就可以計(jì)算吸收電容的值。

確定吸收電容后，可以根據(jù)電容的放電公式計(jì)算吸收電阻。電容放電公式：

其中：t為吸收電容充放電時(shí)間。

根據(jù)上式可以計(jì)算τ值，然后根據(jù)τ=RC公式來(lái)計(jì)算吸收電阻。峰電壓。在整流二極管關(guān)斷時(shí)，諧振電感Lr與吸收電容C5諧振，C5通過(guò)吸收諧振電感Lr的能量，其上電壓通過(guò)二極管D11很快升高到尖峰的最高值，之后電容上電壓通過(guò)電阻R1向負(fù)載放電，電壓會(huì)慢慢降低，但是，要保證電容上電壓不會(huì)下降到低于輸出電壓，如果電容上電壓低于輸出電壓，那么電容C5就會(huì)開(kāi)始吸收來(lái)自原邊期望傳遞給負(fù)載的能量，將降低模塊的效率。

由于漏感的能量是由整流二極管和吸收電容來(lái)C5承受，而C5遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于寄生電容，C5如果選擇的太小，不能完全吸收掉Lr的能量，Lr仍會(huì)與電容發(fā)生諧振，產(chǎn)生很高的尖峰電壓，起不到吸收的作用。可以根據(jù)期望的尖峰電壓來(lái)設(shè)計(jì)吸收電容的大小，輸出電壓U0已知，期望的尖峰電壓為Up，并且希望電容上的電壓恰好放電到輸出電壓，C5不會(huì)在電壓降低到輸出電壓后，吸收來(lái)自原邊供給負(fù)載的能量，這樣可以計(jì)算吸收電容的數(shù)值。在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，吸收電容電壓吸收和釋放的能量正好是諧振電感Lr的能量，因此有式（3）：

3　仿真試驗(yàn)及結(jié)果

為證明理論結(jié)果的真確性，利用saber進(jìn)行仿真試驗(yàn)，按照移相全橋DC/DC變化器原理搭建仿真模型，設(shè)置相應(yīng)的移相驅(qū)動(dòng)信號(hào)。模型搭建完成后，開(kāi)始仿真，設(shè)置仿真時(shí)間5 ms，步長(zhǎng)2 us，打開(kāi)Saber Scope觀察仿真波形。

圖3　二極管尖峰電壓Fig.3　Diode peak voltage

在副邊增加RCD輔助吸收電路后，二極管尖峰電壓和震蕩也得到了很大抑制，而且整流二極管兩邊電壓左高右低，就是吸收電容先吸收能量，之后通過(guò)電阻向負(fù)載釋放能量，如圖4所示。

圖4　試驗(yàn)結(jié)果Fig.4　Test results

4　試驗(yàn)結(jié)果

4.1試驗(yàn)參數(shù)

為了驗(yàn)證此方案的可行性，研制成功了一臺(tái)500 V/20 A 的DC-DC樣機(jī)，副邊整流二極管采用RCD吸收。樣機(jī)主要參數(shù)：開(kāi)關(guān)管并聯(lián)電容C1=C2=3.3 nF，諧振電感 Lr=2 μH，濾波電感L0=470 μH，濾波電容C0=420 μF，RCD吸收中的電阻R1=400 Ω，電容C5=1.8 μF。

4.2基本波形

組裝試驗(yàn)裝置，通電后，用示波器觀察波形，移相全橋軟開(kāi)關(guān)ZVS如圖4所示，它實(shí)現(xiàn)了零電壓開(kāi)通和零電壓關(guān)斷。

整流二極管兩端電壓，由于RCD吸收是通過(guò)原邊電感與二極管寄生電容加上吸收電路中的產(chǎn)生諧振，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于整流二極管寄生電容，所以可以起到抑制二極管尖峰電壓和震蕩的效果，雖然不能從根本上消除震蕩，但是也很好的抑制了尖峰和震蕩。

RCD吸收電路中吸收電容兩端的電壓，周期性的諧振，吸收諧振電感的能量，再通過(guò)電阻釋放到負(fù)載。

5　結(jié)　論

試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了理論的正確性。RCD輔助吸收電路實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，雖然增加了電路的復(fù)雜性，在電阻上會(huì)產(chǎn)生損耗，但是有效的抑制尖峰和震蕩。利用理論研究結(jié)果，使用RCD輔助吸收電路研制了一臺(tái)20KW DC/DC變換器，并驗(yàn)證了該拓?fù)湓诖蠊β蕡?chǎng)合具有很高的實(shí)用價(jià)值。

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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稿件編號(hào)：201503028

張吳斌（1989—），男，江蘇蘇州人，碩士。研究方向：計(jì)算機(jī)控制。