ZVS移相全橋變換器的優(yōu)化設(shè)計(jì)與仿真

于仲安 葛庭宇 何俊杰

摘 ?要： 針對(duì)傳統(tǒng)的零電壓（ZVS）、零電壓零電流（ZVZCS）移相全橋變換器的各種缺陷以及實(shí)際參數(shù)選取困難的問(wèn)題，采用一種改進(jìn)型零電壓移相全橋軟開(kāi)關(guān)變換器，即在原邊鉗位兩個(gè)超快恢復(fù)二極管與一隔直電容來(lái)降低副邊電路的寄生震蕩以防止變壓器進(jìn)入磁飽和，為進(jìn)一步提高變換器的效率，副邊采用全波整流。對(duì)所設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行細(xì)致的原理分析，給出若干關(guān)鍵值的優(yōu)化計(jì)算過(guò)程，并以UC3875作為控制芯片，通過(guò)saber仿真驗(yàn)證理論分析的合理性，結(jié)果表明電路在實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)的同時(shí)也抑制了副邊整流器件的電壓應(yīng)力，證明了所提優(yōu)化方案的可靠性。

關(guān)鍵詞： 軟開(kāi)關(guān)變換器; 移相全橋變換器; 零電壓開(kāi)關(guān); 電壓應(yīng)力; 全波整流; 優(yōu)化計(jì)算

中圖分類(lèi)號(hào)： TN710?34; TM743 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)： 1004?373X（2019）13?0161?04

Optimization design and simulation of ZVS phase?shifted full?bridge converter

YU Zhongan， GE Tingyu， HE Junjie

（School of Electrical Engineering and Automation， Jiangxi University of Science and Technology， Ganzhou 341000， China）

Abstract： Aiming at the defects of traditional zero voltage （ZVS） and zero voltage zero current （ZVZCS） phase?shifted full?bridge converters， and difficulties in selecting actual parameters， an improved ZVS phase?shifted full?bridge soft?switching converter is used. In the primary side， two ultrafast recovery diodes and a DC blocking capacitor are clamped to reduce the parasitic oscillation of the secondary circuit and prevent the transformer from entering its magnetic saturation. In order to further improve the efficiency of the converter， full?wave rectification is adopted in the secondary side. A detailed principle analysis is performed for the designed circuit. The optimization calculation process of several key values is given. The rationality of the theoretical analysis is verified by Saber simulation by taking UC3875 as the control chip. The results show that the voltage stress of the secondary side rectifying device is suppressed while the soft switch is realized in this circuit， which proves the reliability of the proposed optimization scheme.

Key words： soft?switching converter; phase?shifted full?bridge converter; zero?voltage switching; voltage stress; full?wave rectification; optimized calculation

0 ?引 ?言

移相全橋軟開(kāi)關(guān)變換器因其效率高、發(fā)展比較成熟、控制相對(duì)簡(jiǎn)單以及高頻化和輕量化，常應(yīng)用于中大功率場(chǎng)合[1?3]。目前軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)主要有兩種方法：一是ZVZCS，即超前臂實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)通與滯后臂實(shí)現(xiàn)零電流關(guān)斷;二是ZVS，即四個(gè)開(kāi)關(guān)管均實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)通。實(shí)現(xiàn)ZVZCS的關(guān)鍵在于變壓器原邊電流的復(fù)位，最初采用在原邊串聯(lián)一隔直電容與飽和電感，利用隔直電容提供復(fù)位電壓，這使得滯后臂電壓應(yīng)力變大，而飽和電感則將原邊電流鉗位在零，但由于其損耗較大而僅限于中小功率場(chǎng)合[4]。通過(guò)給滯后臂開(kāi)關(guān)管串聯(lián)二極管來(lái)阻止原邊電流反向，但卻無(wú)法避免導(dǎo)通損耗[5]。

當(dāng)前應(yīng)用的ZVS技術(shù)普遍存在磁通不平衡、效率低下、占空比丟失嚴(yán)重等缺點(diǎn)[6?8]。通過(guò)在橋臂上附加諧振電路[9?11]或者把全橋改為半橋[12]可減小占空比的丟失，并能在負(fù)載較大的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)ZVS，但原邊有環(huán)流且半橋電路效率較低。對(duì)于副邊整流電路，二極管在正負(fù)半周期換流的過(guò)程中其寄生電容與原邊電感發(fā)生諧振，再加上其反向恢復(fù)特性，導(dǎo)致應(yīng)力急劇增大。一般采用的抑制方法有RCD緩沖電路、有源鉗位電路[13]、副邊雙諧振電路，但仍有能量消耗在電阻上或者需要另加復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)電路，而副邊雙諧振電路只有電容濾波，與傳統(tǒng)的LC濾波相比，在速度和效果上欠佳。

基于以上分析，本文設(shè)計(jì)通過(guò)在ZVS移相全橋變換器的原邊串聯(lián)一合適電容防止變壓器因磁通不平衡而引起飽和，再附加一對(duì)鉗位二極管將副邊寄生震蕩產(chǎn)生的能量回饋至原邊。不僅能夠抑制震蕩和電壓尖峰，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔方便易于實(shí)現(xiàn)，最后通過(guò)仿真驗(yàn)證了所提電路以及參數(shù)選取的合理性。

1 ?電路結(jié)構(gòu)及工作原理

圖1為主電路拓?fù)?，與傳統(tǒng)的ZVS電路相較，多了隔直電容[Cb]與鉗位二極管[Da1]，[Da2]，其中，[Lr]為諧振電感與漏感之和，副邊采用全波整流。

圖1 ?改進(jìn)型移相全橋拓?fù)?/h3>

圖2 ?變換器理想工作狀態(tài)圖

2 ?關(guān)鍵參數(shù)的計(jì)算與選取

基于上述分析，電路基本參數(shù)的選取為：輸入直流電壓[Uin=390 V-410 V];輸出電壓[Uo=50] V;輸出功率[Po=1 kW];效率[η=0.93];開(kāi)關(guān)頻率[fs=100] kHz;開(kāi)關(guān)管選用IRF460型MOSFET;輸出整流二極管選取MUR3060超快恢復(fù)型;變壓器變比[n=7];最大占空比[Dmax=0.9]。由AP法計(jì)算采用EE42型磁芯。

2.1 ?死區(qū)時(shí)間與諧振電路的設(shè)計(jì)

從理論上講，死區(qū)時(shí)間的設(shè)置不能一概而論，超前臂與滯后臂的工作狀態(tài)不同，有著不同的設(shè)置方法。一般來(lái)講死區(qū)時(shí)間需大于下降延遲時(shí)間和下降時(shí)間[td（off）+tf]。通過(guò)IRF460的手冊(cè)可知兩者之和為228 ns，為保險(xiǎn)起見(jiàn)設(shè)置為[tdead=]500 ns。

2.2 ?輸出濾波電路的設(shè)計(jì)

3 ?仿真結(jié)果分析

采用TI的UC3875作為主電路控制芯片，在saber中搭建電路代入以上參數(shù)進(jìn)行仿真。圖3分別為超前臂和滯后臂的驅(qū)動(dòng)波形與開(kāi)關(guān)管電壓波形，可以明顯看出在開(kāi)通驅(qū)動(dòng)信號(hào)來(lái)臨之前MOS管壓降已經(jīng)降為零。

圖3 ?超前臂與滯后臂ZVS

圖4分別為超前臂和滯后臂的軟開(kāi)關(guān)波形，從圖中可知MOS管電壓降為零一段時(shí)間后電流才開(kāi)始上升，零電壓開(kāi)通效果完全實(shí)現(xiàn)。零電壓關(guān)斷近似實(shí)現(xiàn)，極大地降低了開(kāi)關(guān)管的損耗。

圖4 ?軟開(kāi)關(guān)波形

圖5 ?整流二極管電壓波形

圖6 ?輸出電壓波形

4 ?結(jié) ?論

本文通過(guò)綜合考慮傳統(tǒng)的ZVS與ZVZCS移相全橋的各種不足之處，采用改進(jìn)型拓?fù)浼右苑治?，并?duì)其主要參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。仿真結(jié)果表明，本文的優(yōu)化設(shè)計(jì)能很好地實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)，降低副邊整流電路的震蕩應(yīng)力，在降低電路損耗的同時(shí)也延長(zhǎng)了電路的使用壽命，具有相應(yīng)的工程價(jià)值以及參考性。

參考文獻(xiàn)

[1] 張強(qiáng)，林維明，徐玉珍.一種用耦合電感實(shí)現(xiàn)零電壓零電流開(kāi)關(guān)的移相全橋變換器[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2016，31（21）：142?149.

ZHANG Qiang， LIN Weiming， XU Yuzhen. Phase?shifted full?bridge converter with zero?voltage zero?current switching using coupled inductors [J]. Transactions of China electrotechnical society， 2016， 31（21）： 142?149.

[2] 程實(shí)，郭育華，余璞.基于充電機(jī)的3 kW移相全橋變換器[J].電力電子技術(shù)，2016，50（3）：88?90.

CHENG Shi， GUO Yuhua， YU Wei. 3kW phase?shifted full?bridge converter based on charger [J]. Power electronics， 2016， 50（3）： 88?90.

[3] 程瓊，劉瀟.移相全橋ZVZCS DC/DC變換電路的PSpice仿真研究[J].電源技術(shù)，2015，39（3）：588?590.

CHENG Qiong， LIU Xiao. PSpice simulation of phase?shifted full?bridge ZVZCS DC/DC converter circuits [J]. Power techno?logy， 2015， 39（3）： 588?590.

[4] 馬昆林，閆昌盛.帶飽和電感的移相控制ZVS全橋變換器研究[J].計(jì)算機(jī)仿真，2014，31（7）：229?233.

MA Kunlin， YAN Changsheng. Phase shift control with saturated inductors for ZVS full?bridge converters [J]. Computer simulation， 2014， 31（7）： 229?233.

[5] 左鵬，李紅，劉偉志，等.鐵路空調(diào)客車(chē)8 kW充電機(jī)的研制[J].中國(guó)鐵道科學(xué)，2010，31（2）：137?140.

ZUO Peng， LI Hong， LIU Weizhi， et al. Development of an 8 kW charger for railway air?conditioned passenger cars [J]. China railway science， 2010， 31（2）： 137?140.

[6] 殷文貴.移相全橋ZVS變換器研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2012.

YIN Wengui. Research on phase?shifted full?bridge ZVS converter [D]. Shanghai： Shanghai Jiaotong University， 2012.

[7] 胡紅林，李春華，邵波.移相全橋零電壓PWM軟開(kāi)關(guān)電路的研究[J].電力電子技術(shù)，2009，43（1）：12?14.

HU Honglin， LI Chunhua， SHAO Bo. Phase?shifted full?bridge zero?voltage PWM soft?switching circuit research [J]. Power electronics， 2009， 43（1）： 12?14.

[8] 唐建山，林國(guó)慶.脈寬調(diào)制DC/DC全橋變換器軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的研究[J].電工電氣，2009（4）：37?40.

TANG Jianshan， LIN Guoqing. Research on soft?switching technology of pulse?width modulation DC/DC full bridge converter [J]. Electrician， 2009 （4）： 37?40.

[9] 陳仲，李夢(mèng)南，汪洋.ZVS全橋變換器輔助網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的比較研究[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2015，30（22）：89?99.

CHEN Zhong， LI Mengnan， WANG Yang. Comparative study of auxiliary network technology for ZVS full?bridge converters[J]. Transactions of China electrotechnical society， 2015， 30（22）： 89?99.

[10] 張欣，陳武，阮新波.一種輔助電流可控的移相全橋零電壓開(kāi)關(guān)PWM變換器[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2010，25（3）：81?88.

ZHANG Xin， CHEN Wu， RUAN Xinbo. Phase?shifted full?bridge zero?voltage switching PWM converter with auxiliary current controllable [J]. Transactions of China electrotechnical society， 2010， 25（3）： 81?88.

[11] CHEN Z， JI B， JI F， et al. A novel ZVS full?bridge converter with auxiliary circuit [C]// Proceedings of 25th Annual Applied Power Electronics Conference and Exposition. Palm Springs： IEEE， 2010： 1448?1453.

[12] ZHANG J M， XIE X G， WU X K， et al. Comparison study of phase?shifted full bridge ZVS converters [C]// PESC Record?IEEE Annual Power Electronics Specialists Conference. New York： IEEE， 2004， 1： 533?539.

[13] 劉松斌，費(fèi)躍，段志偉.新型移相全橋零電壓開(kāi)關(guān)PWM變換器[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2011，26（1）：1?7.

LIU Songbin， FEI Yue， DUAN Zhiwei. A novel phase?shifted full bridge zero voltage switching PWM converter [J]. Transactions of China electrotechnical society， 2011， 26（1）： 1?7.