移相全橋零電壓PWM軟開關(guān)電路諧振過程研究

王金剛，劉　鵬

（中國電子科技集團(tuán)公司第58研究所，江蘇無錫 214072）

移相全橋零電壓PWM軟開關(guān)電路諧振過程研究

王金剛，劉鵬

（中國電子科技集團(tuán)公司第58研究所，江蘇無錫 214072）

為解決全橋硬開關(guān)電路的開關(guān)損耗問題，提高電源效率，研究了一種移相全橋軟開關(guān)電路。與傳統(tǒng)電路相比具有開關(guān)損耗小、EMI噪聲低、工作頻率高、電源效率高等優(yōu)點。詳細(xì)介紹了移相全橋電壓PWM軟開關(guān)電路諧振工作的全過程，最后給出了PWM軟開關(guān)電路占空比丟失的原因及解決辦法。

移相全橋；軟開關(guān)；諧振；占空比

1　引言

移相全橋零電壓開關(guān)（ZVS）[2]PWM變換器已廣泛應(yīng)用于大功率開關(guān)電源中，它保持了準(zhǔn)諧振電路開關(guān)損耗小、工作于固定開關(guān)頻率的優(yōu)點，且與普通硬開關(guān)全橋電路相比僅增加了一個諧振電感。在換流時利用諧振實現(xiàn)開關(guān)器件的零電壓開關(guān)（ZVS）[2]，消除了開關(guān)損耗，提高了電路效率。

移相全橋ZVS PWM變換器只能在有限的負(fù)載范圍內(nèi)實現(xiàn)所有開關(guān)器件的零電壓開關(guān)（ZVS）[2]。要在更大的負(fù)載范圍內(nèi)實現(xiàn)所有開關(guān)器件的ZVS，可在變壓器原邊串聯(lián)一個大電感，或增加變壓器的漏感。電感的增加對變換器性能有相當(dāng)大的影響，會引起占空比的丟失。同時，輸出整流管存在反向恢復(fù)過程，在輸出整流管上產(chǎn)生電壓尖峰和電壓震蕩。

利用儲存在輔助電路電感中的能量來實現(xiàn)原邊所有開關(guān)管的零電壓開關(guān)（ZVS）[2]，不僅減少了占空比丟失，抑制了輸出整流管上的電壓尖峰和電壓震蕩，且能在更寬的負(fù)載范圍內(nèi)實現(xiàn)所有開關(guān)管的零電壓開關(guān)（ZVS）[2]。

本文提出的拓?fù)浼軜?gòu)解決了硬開關(guān)全橋電路輸出整流二極管上存在電壓尖峰和電壓震蕩的問題，減少了占空比的丟失，能在全負(fù)載范圍內(nèi)實現(xiàn)所有開關(guān)器件的零電壓開關(guān)（ZVS）[2]，可以廣泛應(yīng)用于各種開關(guān)電源的設(shè)計中。

2　拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

本文以一個250 W的變換器來說明全橋零電壓換流移相調(diào)制準(zhǔn)諧振[1]變換器的整個工作過程。輸入端Bus電壓為300 V DC，輸出為25 V，10 A。

整個拓?fù)浼軜?gòu)如圖1所示。開關(guān)管Q1、Q2、Q3、Q4不可避免地包含內(nèi)部寄生元件：襯底二極管（D1、D2、D3、D4）和極間電容（C1、C2、C3、C4），雖然電路圖與常規(guī)脈寬調(diào)制橋式電路十分相像，但4個功率MOSFET驅(qū)動信號的開關(guān)時序卻存在很大不同。正是此關(guān)鍵的開關(guān)時序，連同L1e和MOSFET襯底電容的準(zhǔn)諧振過程，才實現(xiàn)了零電壓（L1e是副邊電感折算至原邊的等效值，而且包含變壓器的等效漏感）。

圖1　移相全橋零電壓軟開關(guān)電路

3　功率開關(guān)的時序

3.1初始狀態(tài)分析

在初始啟動狀態(tài)Q1、Q4導(dǎo)通，Q2、Q3關(guān)斷，為了簡化分析，假設(shè)開關(guān)器件是理想的，導(dǎo)通電阻為0且瞬時完成開關(guān)，等效串聯(lián)電感L1e和等效回路電阻R1e已折算到變壓器的原邊。

在初始狀態(tài)，電流流經(jīng)Q1、P1、L1e和Q4。一個完整的功率變換周期共12個獨立的工作狀態(tài)，每個周期的12個工作狀態(tài)可以分為4組基本狀態(tài)，如圖2所示。

圖2　開關(guān)時序圖

對于給定的占空比，這4個基本狀態(tài)占據(jù)了絕大部分時間。第1個基本狀態(tài)在第3次和第4次換流之間，Q1和Q2同時導(dǎo)通，B點和D點的電壓均為高，變壓器原邊兩端電壓為0，沒有功率傳遞至輸出。第2個狀態(tài)處于第6次和第7次換流之間，Q2和Q3同時導(dǎo)通，B點電壓為低而D點電壓為高，變壓器原邊兩端電壓為正，功率傳遞至輸出。第3個基本狀態(tài)處于第9次和第10次換流之間，Q3和Q4同時導(dǎo)通，B點和D點電壓均為低，變壓器原邊兩端電壓為0，沒有功率傳遞至輸出。第4個基本狀態(tài)處于第12次和第1次換流之間，Q1和Q4同時導(dǎo)通，變壓器原邊兩端電壓為負(fù)，功率傳遞至輸出。

3.2工作過程分析

3.2.1第一次換流（Q4關(guān)斷）

對于第一次換流，Q4關(guān)斷而Q1保持導(dǎo)通狀態(tài)。第一次換流，Q4關(guān)斷，在電感L1e的作用下，電流繼續(xù)流向B點。C2和C4充電，使B點電壓為正。當(dāng)B點電壓升至輸入電壓時（加上二極管壓降為300.8），二極管D2導(dǎo)通，電流經(jīng)由D2、Q1、P1、L1e和R1e組成的上部回路續(xù)流。注意當(dāng)B點電壓被D2鉗位在300.8時，B點電壓不再改變，C4中沒有電流，下部回路的電流降至0，注意在Q4關(guān)斷前的t0至t1期間，B點電壓近似維持在0 V。當(dāng)Q4關(guān)斷時，L1e維持恒定的電流流向B點。通常，電流分成上下兩部分，分別為C2和C4充電，使B點電壓逐漸升至300 V。

由于12次換流的過程近似，因此只對Q4的第一次換流做較詳細(xì)的分析。由于存在輸入大電容Cin，可假設(shè)A點和C點間的電源電壓在為電容充電時保持不變，因此等效交流輸入阻抗十分低。因此就交流而言，兩個MOSFET的襯底電容C2e與C4e并聯(lián)更有助于理解準(zhǔn)諧振過程。兩個電容構(gòu)成B點總電容Ct，為C4的兩倍。（實際上，所有與B點有關(guān)的寄生電容都包含在Ct內(nèi)。）

在開始于t1的第一次換流期間，Q4立刻關(guān)斷，L1e中近似恒定的電流繼續(xù)流向B點（在Q4關(guān)斷前的瞬間B點電壓接近0 V），為總襯底電容Ct充電，B點電壓逐漸增加。t1至t2期間，隨著電容的充電，B點電壓逐漸升至300 V，與直流側(cè)電壓相等。

3.2.2第二次換流（D2導(dǎo)通）

當(dāng)B點電壓升至300 V（t2之后），Q2的襯底二極管D2開始導(dǎo)通，阻止B點電壓進(jìn)一步升高。由于電壓不再變化，電容結(jié)束充電，見t2時刻。L1e的電流經(jīng)由D2、P1、L1e和R1e構(gòu)成的上部回路續(xù)流。

上部回路續(xù)流過程：

這時襯底電容不再有電流。前面已經(jīng)指出上部回路的電流流經(jīng)D2、P1、L1e和R1e。由于B點電壓不再變化且Q4關(guān)斷，下部回路不再有電流，這稱之為續(xù)流階段?；芈分写鎯α四芰俊Ｄ芰?/2L1e×I2存儲于電感中，使回路中的電流得以維持。此能量還可在下一階段向D點充電。

3.2.3第3次換流（Q2開通）

在3次換流的開始時刻，Q2仍然關(guān)斷，D2導(dǎo)通使電流續(xù)流。這時電流在上部回路續(xù)流。只要沒有動作，此“續(xù)流電流”將持續(xù)在回路中流動。實際上，只要沒有任何事件發(fā)生，電流將在回路中繼續(xù)流動，直到R1e的電壓使電流衰減至0。由于這一過程中等效電阻R1e非常小（僅僅是P1的繞組電阻和有效回路的分布電阻），電流可以維持較長的時間。在續(xù)流階段，沒有能量傳遞到副邊。由于回路的壓降很低，在整個橋式電路的未激活器件，電流將在回路中持續(xù)流動，僅有微小的降低。

在正常工作時，為了實現(xiàn)零電壓開關(guān)，Q2應(yīng)在t2開始的D2鉗位期間任一時刻開通。本例中Q2在t3時刻開通。這時Q2兩端的電壓僅為二極管D2的壓降，因此Q2在所需的零電壓條件下開通。實際上，如果Q2在襯底二極管D2導(dǎo)通的任一時刻開通，它都將在零電壓條件下開通。由于Q2為功率MOSFET，當(dāng)它開通時，可以使反向流過的續(xù)流電流流過，并接替D2，繼續(xù)傳遞電流。

3.2.4第4次換流（Q1關(guān)斷）

在第4次換流的開始時刻，由于D點和A點電壓均為300 V，所以Q1在零電壓條件下迅速關(guān)斷，從而切斷了上部續(xù)流回路。類似于前面提到的第一次換流，電容C1和C3（與D點連接）放電，因而D點電壓降低，直至降為0 V。

3.2.5第5次換流（D3導(dǎo)通）

當(dāng)D點電壓降至0 V，二極管D3將導(dǎo)通，將D點電壓鉗位于直流側(cè)電壓的負(fù)端，與C點電壓相等。

3.2.6第6次換流（Q3開通）

在D3的鉗位作用下，Q3在零電壓條件下開通。由于原邊繞組P1和L1e兩端承受全部直流側(cè)電壓，L1e和P1的電流將迅速降為0并反向。由于P1兩端為全部直流側(cè)電壓，在Q3和Q2導(dǎo)通期間，能量將再次傳遞至副邊，但注意這時加在副邊橋式整流電路的電壓極性為負(fù)。

3.2.7第7次換流（Q2關(guān)斷）

在功率傳遞階段之后，Q2關(guān)斷。由于B點和A點電壓均為300 V，Q2在零電壓條件下迅速關(guān)斷。電流將由B點流出，隨著C2和C4放電，B點電壓將被拉低至公共端電壓。

3.2.8第8次換流（D4導(dǎo)通）

當(dāng)B點電壓降至0 V，D4將導(dǎo)通，由于Q4、R1e、L1e、P1和Q3構(gòu)成的下部續(xù)流回路將形成。

3.2.9第9次換流（Q4開通）

當(dāng)D導(dǎo)通期間，Q4在零電壓條件下開通，下部續(xù)流回路保持。如前所述，此續(xù)流電流將在整個“關(guān)閉”（無效）期間持續(xù)流動。由于此時變壓器原邊P1兩端電壓再次為0，沒有能量傳遞至輸出。

3.2.10第10次換流（Q3關(guān)斷）

由于D點和C點電壓為0，Q3在零電壓條件下迅速關(guān)斷。D點電壓逐漸升至300 V，為C1和C3充電。

3.2.11第11次換流（D1導(dǎo)通）

當(dāng)D點電壓升至300 V，二極管D1導(dǎo)通，D點電壓被鉗位于直流側(cè)電壓，等于300 V。

3.2.12第12次換流（Q1導(dǎo)通）

在D1鉗位期間，Q1將在零電壓下開通。

由于這時全部側(cè)電壓施加于P1，P1的電流將再次降至0并迅速反向。由于Q1和Q4導(dǎo)通，橋式電路處于有效工作狀態(tài)，能量再次傳遞至輸出。到此為止，一個完整的周期結(jié)束。

4　仿真

通過簡單分析之后，下面對電路進(jìn)行仿真，在PSIM中搭建的電路如圖3所示，經(jīng)計算及分析選擇如下電路參數(shù)：輸入直流電壓Vin=310 V，功率開關(guān)管IGBT，諧振電容Cr=560 pF，諧振電感Lr=25 μH，理想變壓器原邊匝數(shù) Np=28，理想變壓器副邊匝數(shù)Ns=Nt=6，輸出濾波電容Cf=2000μF，濾波電感Lf=50μF。

圖3　仿真電路原理圖

圖4　開關(guān)管Q1的電流及電壓仿真波形

由圖4仿真可知開關(guān)管實現(xiàn)了零電壓開通。輸出電壓Ur的波形如圖5所示，其穩(wěn)定輸出為Ur=25 V。

圖5　輸出電壓Ur的波形

通過仿真可以發(fā)現(xiàn)，功率管實現(xiàn)了軟開關(guān)，減小了開關(guān)損耗，因此開關(guān)頻率可以大大提高。由于功耗的減小，可以減小散熱器的體積，頻率的提高可以減小變壓器及濾波器的體積，有利于電源的小型化、輕量化。特別是在大功率電力電子方面，軟開關(guān)有很好的發(fā)展前途。

功率管軟開關(guān)改善了電路導(dǎo)通和關(guān)斷時的電壓波形，使開通和關(guān)斷沿的尖峰減小，這樣減小了電磁干擾和射頻干擾，使得設(shè)備的電磁兼容設(shè)計壓力減小。目前，在電力系統(tǒng)領(lǐng)域內(nèi)電磁兼容性設(shè)計是一個重要的考核指標(biāo)，而電源的電磁兼容性設(shè)計又是一個比較復(fù)雜的問題，當(dāng)采用移相式零電壓軟開關(guān)電路時，電磁兼容問題就比較容易解決。

功率管電壓電流應(yīng)力減小不僅減小了損耗，而且提高了電源的效率，效率可達(dá)92%以上，更有利于提高功率管的使用壽命和可靠性。

5　結(jié)束語

本設(shè)計采用的移相全橋ZVS軟開關(guān)變換電路[3]是在吸收了傳統(tǒng)PWM變換器和諧振變換器[1]優(yōu)點的基礎(chǔ)上，克服了它們的缺點之后發(fā)展起來的一種新型控制方式。理論分析和仿真實驗驗證了移相全橋軟開關(guān)（ZVS）拓?fù)鋄3]的可行性。該拓?fù)浯蟠筇岣吡穗娫吹男?，為?jié)約能源提供了新的解決途徑。

[1]Lee R.Electronic Trans and Circuits[M].Wiley,New York, 1995.

[2]Hua Guichaoi Fred C Lee.An Improved Full bride Zero-voltage-Switched PWM converter a Saturable Inductor [C].IEEE PE,1993,V8.

[3]McLyman,colonel Wm T.Transformer and Inductor Design Handbook,MarcelDekker[M].NewYork,1978,ISBN 0-8247-6801-9.

[4]Billings K,Morey T.開關(guān)電源手冊 [M].張占松，等譯.3版.北京：人民郵電出版社，2012.1.

中國半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會封裝分會輪值理事長交接工作會議順利召開

2016年11月7日，中國半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會封裝分會輪值理事長交接工作會議在上海和平豪生大酒店順利召開。中國半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會執(zhí)行副理事長兼秘書長徐小田，中國半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會副理事長陳賢，中國半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會封裝分會名譽理事長畢克允，2016年度中國半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會封裝分會輪值理事長石明達(dá)，輪值理事長王新潮、肖勝利、劉岱，封裝分會秘書長王紅等人參加會議。

中國半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會副理事長兼秘書長徐小田、中國半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會封裝分會名譽理事長畢克允先后做了講話，回顧了封裝分會的發(fā)展歷程，展望了封裝分會未來面臨的挑戰(zhàn)。2016年封裝分會輪值理事長石明達(dá)總結(jié)了任期內(nèi)封裝分會取得的實質(zhì)進(jìn)步，并對封裝分會未來的發(fā)展前景做了展望。分會秘書長王紅簡單做了年度財務(wù)收支匯報。

會議接下來進(jìn)行了輪值理事長的交接，2017年度輪值理事長由長電科技集團(tuán)董事長王新潮擔(dān)任。王新潮做了發(fā)言，表示2017年將努力落實《集成電路工業(yè)全書》和《集成電路專業(yè)叢書》的編寫工作，并辦好2017年的封裝分會年會。他還提到，《電子與封裝》作為封裝分會會刊已經(jīng)成為國內(nèi)封裝技術(shù)的重要交流平臺。新的一年里雜志編輯部應(yīng)進(jìn)一步努力，提高文章的學(xué)術(shù)水平，及時刊登行業(yè)重大新聞和技術(shù)發(fā)展動態(tài)；提高會刊影響力，多多參與協(xié)會活動。封裝分會副秘書長沈陽公布2017年度年會預(yù)計將于2017年6月21日在江蘇江陰市舉行。其他參會人員也逐一發(fā)言，輪值理事長交接會議圓滿結(jié)束。

（趙博）

Studies of Resonance Process for Shifted-Phase Full-Bridge Zero-Voltage PWM Soft-Switching Circuit

WANG Jingang,LIU Peng
（China Electronics Technology Group Corporation No.58 Research Institute,Wuxi 214072,China）

A phase-shifted full bridge soft-switching circuit is studied in order to reduce the switching loss and improve the power supply efficiency of the full bridge hard-switching circuits.Compared with the traditional circuit,the new circuit has the advantages of low switching loss,low EMI noise,high operation frequency and high conversion efficiency.In the paper,the whole resonance process of phase-shifted full bridge voltage PWM soft-switching circuit is presented in details.Besides,the causes and solutions for the duty-cycle loss of the PWM soft-switching circuit are given.

phase-shifted full bridge;soft switch;resonance;duty cycle

TN402

A

1681-1070（2016）11-0035-04

2016-5-30

王金剛（1982—），男，安徽碭山人，2008年畢業(yè)于四川理工大學(xué)，獲通信工程學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)從事開關(guān)電源的設(shè)計和研究工作。