移相全橋變換器軟開關(guān)設(shè)計及效率優(yōu)化

黃偉 羅文廣 黃丹

摘 ? 要： 針對負載減小時傳統(tǒng)移相全橋變換器滯后橋臂的開關(guān)管實現(xiàn)軟開關(guān)的范圍變窄，變換器效率降低的問題，通過分析變換器的工作過程以及變換器超前滯后橋臂實現(xiàn)軟開關(guān)的條件，研究諧振電感取值不同對占空比丟失、滯后橋臂實現(xiàn)軟開關(guān)、變換器效率的影響;設(shè)計移相全橋變換器電路參數(shù)，并通過saber軟件進行仿真.結(jié)果表明取適當(dāng)?shù)闹C振電感值，增加滯后橋臂軟開關(guān)范圍，可以優(yōu)化變換器效率.

關(guān)鍵詞：移相全橋變換器;軟開關(guān);效率優(yōu)化;滯后橋臂;諧振電感

中圖分類號：TM46 ? ? ?DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2019.03.008

引言

電力電子變換器不僅要滿足高效率、高功率密度、高可靠性等電氣性能指標(biāo)，還要有較低的成本、較小的體積、較輕的質(zhì)量、較低散熱要求、較高適應(yīng)環(huán)境能力等優(yōu)點[1-3].由于變換器的輸出功率與開關(guān)管的個數(shù)成正比，所以全橋變換器的功率最大，廣泛應(yīng)用于高輸入電壓及中大功率場合中.

隨著軟開關(guān)技術(shù)出現(xiàn)，硬開關(guān)的不足得到解決.軟開關(guān)是指通過控制脈沖使開關(guān)管兩端電壓為零時導(dǎo)通（零電壓導(dǎo)通 ZVS）或使流經(jīng)開關(guān)管電流為零時關(guān)斷（零電流關(guān)斷 ZCS）.軟開關(guān)技術(shù)，在開關(guān)管開通、中斷瞬間，電壓電流變化無交叉點，實現(xiàn)理想的開關(guān)損耗為零，同時減小電磁干擾，得到廣泛應(yīng)用[4].零電壓開關(guān)PWM全橋變換器[5]，大大減小了開關(guān)損耗，有利于減小變換器體積和重量，有助于提高開關(guān)頻率，進而較好的滿足高效率、高功率密度、高可靠性且成本低的性能要求.但零電壓開關(guān)PWM移相全橋變換器隨著負載逐漸減小，滯后橋臂的開關(guān)管實現(xiàn)ZVS的范圍變窄，輕則導(dǎo)致開關(guān)管發(fā)熱，效率降低[6-7]，重則導(dǎo)致變換器無法正常工作.針對這個問題，本文在參數(shù)設(shè)計上進行研究，增加變換器滯后橋臂軟開關(guān)范圍，優(yōu)化變換器的效率.

1 ? ?移相控制ZVS PWM全橋變換器的工作分析

移相全橋變換器有3種控制方式[8]，工作原理本質(zhì)一樣，現(xiàn)以移相控制為例，分析其工作原理與軟開關(guān)實現(xiàn)的條件.圖1為主電路拓撲，其中Q1-Q4為開關(guān)管，D1-D4為二極管，C1-C4為寄生電容，L1為諧振電感，Dr1與Dr2為副邊穩(wěn)壓二極管，Lf與Cr起濾波作用.圖2為主要波形圖，其中t0到t2時段內(nèi)相位差為移相角，移相角越小，輸出電壓越高，反之越小.假設(shè)：電路中的電容、電感、開關(guān)管、二極管、變壓器都是理想元器件;且 C2 =C4，C1=C3; Lf[?] Lr/K ，K為變壓器原副邊匝數(shù)比.在一個開關(guān)周期內(nèi)，共有12個開關(guān)模態(tài)，由于前后6個周期的原理相同，因此只分析前6個模態(tài)的原理.

開關(guān)模態(tài)0：如圖3所示，t0時刻前，開關(guān)管Q1、Q4導(dǎo)通，電流從電源正極流出，經(jīng)過開關(guān)管Q1、變壓器原邊繞組、諧振電感L1、開關(guān)管Q4最后回到負極.變壓器副邊回路從副邊繞組頂端到整流二極管Dr1、輸出濾波電感Lf、電容Cf與負載，再回到副邊繞組形成回路.

開關(guān)模態(tài)1：如圖4所示，在[t0，t1]時段中，t0時刻，C1充電，C3放電.在此期間，副邊電流因為濾波電感Lf的作用保持方向不變，原邊電流受其影響方向不會發(fā)生改變，D1導(dǎo)通將Q1兩端電壓箝位至0，使得Q1零電壓關(guān)斷.t1時刻，C3電壓下降到0，D3導(dǎo)通.

開關(guān)模態(tài)2：如圖5所示，在[t1，t2]時段中，D3導(dǎo)通后，將開關(guān)管兩端的電壓箝位至0，此時無電流流經(jīng)Q3，實現(xiàn)Q3零電壓開通.電流i為原邊濾波電感電流.

開關(guān)模態(tài)3：如圖6所示，在[t2，t3]時段內(nèi)，t2時刻，Q4零電壓關(guān)斷，C3放電，C4充電，VAB極性發(fā)生變化，變壓器副邊繞組電勢為上負下正，整流二極管Dr2導(dǎo)通，此時Dr1與Dr2都導(dǎo)通，副邊繞組電壓為0.相應(yīng)的，原邊繞組也為0，此時VAB作用在諧振電感L1.t3時刻，C4電壓上升到Vin，D2導(dǎo)通.

開關(guān)模態(tài)4：如圖7所示，在[t3，t4]時段內(nèi)，D2導(dǎo)通，將Q2兩端電壓箝位為0，Q2開通，但此時無電流流經(jīng)Q2，實現(xiàn)Q2零電壓開通，諧振電感L1將存儲能量反饋電源.此時原邊繞組電壓依舊為0，電源電壓Vin全部加在諧振電感L1兩端，電流i線性遞減[9].t4時刻，電流減小到0，D2、D3關(guān)斷，電流流經(jīng)Q2、Q3.

開關(guān)模態(tài)5：如圖8，在[t4，t5]時段內(nèi)，t4時刻，電流流經(jīng)Q2、Q3，電流由0反向增加，但還未到提供負載電流的程度.t5時刻，原邊電流達到原邊負載電流，整流管Dr1關(guān)斷，Dr2流過全部負載電流[10].

開關(guān)模態(tài)6：如圖9，在[t5，t6]時段內(nèi)，電源給負載供電.t6時刻，Q3關(guān)斷，之后變換器進入下半個工作周期.

在[t2，t5]時段內(nèi)，原邊電流極性發(fā)生變化，由正變負的過程中，由于諧振電感，原邊電流不足以提供負載電流，副邊整流管全部處于導(dǎo)通狀態(tài)，輸出濾波電感電流處于續(xù)流狀態(tài)[11]，整流輸出后的電壓為0，所以副邊丟失部分占空比.

2 軟開關(guān)分析和設(shè)計

從以上分析可知，移相全橋?qū)崿F(xiàn)零電壓導(dǎo)通軟開關(guān)（ZVS），必須要有足夠的能量使開關(guān)管并聯(lián)的寄生電容進行充放電，并聯(lián)二極管順利導(dǎo)通，將開關(guān)管兩端的電壓箝位至0.而提供這能量的主要是電感.同時，超前橋臂和滯后橋臂實現(xiàn)軟開關(guān)又有所不同.超前橋臂在實現(xiàn)ZVS中，其能量來源于濾波電感Lf與諧振電感L1.濾波電感Lf在超前橋臂開關(guān)過程中類似恒流源，能量充足，超前橋臂易實現(xiàn)ZVS.因為變壓器副邊短路，只有諧振電感L1提供能量來實現(xiàn)滯后橋臂的ZVS，所以在負載減小時滯后橋臂難實現(xiàn)ZVS.

移相全橋電路要實現(xiàn)超前橋臂的ZVS，必須滿足死區(qū)時間大于寄生電容放完電之后，二極管在開關(guān)管導(dǎo)通之前，將電壓箝位至0，則有：

式中，Ci——超前橋臂的寄生電容，Cr——滯后橋臂的寄生電容，L1——諧振電感，Vin——輸入電壓，I——原邊電流.

滯后橋臂實現(xiàn)ZVS主要受L1的影響，只有L1的能量大于C2、C4充放電所需的能量，才能實現(xiàn)滯后橋臂的ZVS，因此有：

式中，I1為流過諧振電感的電流.

由式（1）可知：開關(guān)管并聯(lián)的寄生電容Ci越小，超前橋臂越容易實現(xiàn)ZVS.輸入電壓Vin為固定值，從 式（3）可知：原邊電流I1 越大，滯后橋臂越容易實現(xiàn)ZVS.原邊電流受負載影響，負載減小時，原邊電流I1減小，[I21]減小的更為嚴重，只有大幅度的增加L1的取值，滯后橋臂才能實現(xiàn)ZVS.則L1越大，越利于滯后橋臂實現(xiàn)軟開關(guān)，但隨著L1的不斷增大，副邊占空比的丟失就越來越嚴重[12-14]，導(dǎo)致輸出功率的降低，影響變換器效率的降低.但另一方面，受到式（2）的限制，L1Cr太小不利于超前橋臂實現(xiàn)軟開關(guān)，即使占空比的丟失減小了，如果不能實現(xiàn)軟開關(guān)，會增加開關(guān)損耗，也會降低變換器的效率.

為了保證移相全橋變換器滯后橋臂能夠?qū)崿F(xiàn)軟開關(guān)，效率最大化，當(dāng)諧振電感的能量恰好全部消耗在實現(xiàn)軟開關(guān)過程中，就不會影響之后變壓器原邊的輸出功率，可得：

如果負載發(fā)生變化：當(dāng)負載變小時，原邊礪磁電流Im變小，諧振電感的能量不足以提供電容充放電，無法實現(xiàn)軟開關(guān)，開關(guān)損耗增加，變換器效率下降.負載變大時，原邊電流變大，諧振電感的能量遠大于電容充放電的能量，多余的能量會使電流不能即刻下降到0，即電流方向會保持上一狀態(tài)的流動方向，會消耗原邊的能量降低變壓器原邊的輸出能量，效率下降.因此，根據(jù)式（4）計算出來的諧振電感值有利于增加變換器滯后橋臂軟開關(guān)范圍，減小開關(guān)損耗，獲得較優(yōu)化的效率.

3 參數(shù)設(shè)計及仿真分析

3.1 ? 參數(shù)設(shè)計

電路主要元件參數(shù)：輸入電壓Vin=80 V，輸出電壓10 V，輸出電流10 A，功率100 W，變壓器原副邊匝數(shù)比K=5，取超前橋臂的寄生電容為3 nF，滯后橋臂的寄生電容為1 nF，由式（1）和式（2）可計算出：

[tdead=0.64 μs]，[tdead<1.33 μs]

用阻抗值來表示負載的變化，負載增大，則對應(yīng)的電流增大，電阻減小;負載減小，電流減小，電阻增大.根據(jù)不同的負載大小，計算出原邊電流，得到對應(yīng)的諧振電感，結(jié)果見表1.

輸出濾波電感Lf設(shè)計：為滿足有較高的穩(wěn)定精度、較長的濾波電容壽命，電感電流的峰值小于額定電流的50%，這里去紋波系數(shù)[Δ]為20%，得到：

輸出濾波電感Cf設(shè)計：紋波電壓[ΔU]與輸出負載電流有關(guān)，設(shè)輸出電壓紋波[ΔU]小于100 mV，得到：

實際應(yīng)用中選取的電容要遠大于理論計算值，這里取Cf=350 [μ]F，T為一個周期的時間.

3.2 ? 基于saber軟件仿真分析

saber軟件對電路的分析功能強大，主要有直流分析、瞬態(tài)分析、頻域分析、傅里葉和快速傅里葉分析及蒙特卡洛等，適用于電力電子、機械、光學(xué)等各種不同領(lǐng)域組成的混合系統(tǒng)仿真，仿真描述能力精致、真實性高.

基于saber軟件搭建仿真電路圖如圖10所示，仿真結(jié)果如圖11—圖14所示.

圖11給出了滯后橋臂上、下開關(guān)管實現(xiàn)軟開關(guān)的情況.由圖11可以看出，當(dāng)開關(guān)管的觸發(fā)電壓Vgs下降為0之后，開關(guān)管兩端的電壓Vds才開始增加，兩者沒有交集，實現(xiàn)了零電壓開關(guān).

圖12為不同諧振電感取值下，移相全橋變換器副邊占空比丟失情況.由圖12可知，隨著諧振電感取值的不斷增大，副邊占空比丟失越嚴重.

圖13為不同諧振電感值在負載變化時，變換器的開關(guān)損耗變化情況.由圖13可以看出，隨著負載電阻值的增大，開關(guān)損耗也增加.電感值增大，開關(guān)損耗減小.當(dāng)L1=384 μH時，整個負載電阻值區(qū)間內(nèi)開關(guān)損耗幾乎為0，由此可以推出在全區(qū)間內(nèi)，變換器都實現(xiàn)了軟開關(guān).L1=38.4 μH時，在負載電阻增加到2 Ω之后，開關(guān)損耗增加，軟開關(guān)實現(xiàn)變得困難.由圖13可知，諧振電感取值越小，變換器實現(xiàn)軟開關(guān)的范圍就越窄.

圖14為不同諧振電感值在負載變化時，變換器的效率曲線圖.由圖14可知，諧振電感值越小，負載電阻越小時，變換器效率越大.結(jié)合圖13和圖14可以看出：當(dāng)諧振電感L1=38.4 μH、78 μH、240 μH，負載電阻分別在2.0 Ω、2.8 Ω、5.0 Ω時開關(guān)損耗剛好降為零，是實現(xiàn)軟開關(guān)的臨界點，變換器的效率最高.其中，諧振電感為38.4 μH時效率達到最高81.7%，240 μH時只有55.0%，但軟開關(guān)范圍大.因此，諧振電感設(shè)計時，需要在滯后橋臂的軟開關(guān)范圍與變換器效率之間做取舍.應(yīng)考慮較大負載時的原邊電流來計算，適當(dāng)?shù)卦黾訙髽虮鄣能涢_關(guān)范圍，優(yōu)化變換器效率.

4 結(jié)論

移相全橋變換器滯后橋臂實現(xiàn)軟開關(guān)會影響變換器的效率.如果諧振電感取值過大，能夠輕易實現(xiàn)滯后橋臂軟開關(guān)，但會導(dǎo)致占空比丟失嚴重，降低輸出功率，從而導(dǎo)致系統(tǒng)效率下降.如果諧振電感取值過小，當(dāng)負載減小時，滯后橋臂上的開關(guān)管就難以實現(xiàn)軟開關(guān)，帶來不可忽略的開關(guān)損耗，影響系統(tǒng)效率.由此可以得出結(jié)論：

1）隨著諧振電感的增加，變換器滯后橋臂的軟開關(guān)范圍變寬，但占空比丟失變的更為嚴重，系統(tǒng)效率整體下降.

2）隨著負載變化，變換器的效率存在著最大值，其最大值受諧振電感的影響.諧振電感增大，效率最大值隨著負載減小的方向移動.

3）當(dāng)負載很小時，變換器效率低，諧振電感值對效率影響低.當(dāng)負載很大時，變換器效率高，諧振電感取值對效率影響大;電感值過大，降低的變換器效率遠大于開關(guān)管損耗降低的效率，電感值太小開關(guān)管又難以實現(xiàn)軟開關(guān).在設(shè)計諧振電感時，應(yīng)考慮較大負載的情況來計算，適當(dāng)?shù)脑黾訙髽虮鄣能涢_關(guān)范圍，降低占空比丟失，獲得一個較優(yōu)化的變換器效率.

參考文獻

[1] ? ? 鄧開元. 大功率移相全橋同步整流電源關(guān)鍵技術(shù)的研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2017.

[2] ? ? 尹強，熊澤成，朱子庚，等. 移相全橋ZVS PWM變換器的研究[J].電力電子技術(shù)，2018，52（1）：11-12，32.

[3] ? ? 劉勝永，唐安瓊. 一種新穎的軟開關(guān)雙向DC/DC 變換器分析與設(shè)計[J]. 電力自動化設(shè)備，2012，32（3）：28-31.

[4] ? ? 王建秋. 一種基于移相全橋軟開關(guān)技術(shù)的開關(guān)電源的研制[D].大連：大連交通大學(xué)，2010.

[5] ? ? 黃海宏，王海欣，張毅，等. PWM整流電路的原理分析[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報，2007，29（4）：28-30，33.

[6] ? ? 朱棟. 數(shù)字式ZVS移相全橋電動汽車充電器[D].天津：天津大學(xué)，2012.

[7] ? ? 張濤，劉勝道，祝小雨. 移相全橋變換器電壓模式控制器的設(shè)計與仿真[J].船電技術(shù)，2013，33（10）：28-30.

[8] ? ? 余帥，劉勝永，崔志鵬，等. 基于V2G充電樁系統(tǒng)DC-DC變換器控制策略的研究[J].廣西科技大學(xué)學(xué)報，2018，29（1）：69-75.

[9] ? ? 趙華高. 移相全橋ZVS變換器的研究[D].杭州：浙江工業(yè)大學(xué)，2010.

[10] ? 樊俊峰. 新型分布式直流電源系統(tǒng)[D].南京：河海大學(xué)，2003.

[11] ? 李艷.軟開關(guān)雙輸入全橋變換器的參數(shù)設(shè)計[J].電工技術(shù)學(xué)報，2011，26（9）：167-174，189.

[12] ? 蘇敏，鄒旭東.基于SiC MOSFET的移相全橋ZVS變換器[J].電源學(xué)報，2018，16（3）：36-43.

[13] ? 張斌，張彥會，史維瑋，等. 基于純電動汽車的雙輸入雙向DC/DC變換器設(shè)計[J].廣西科技大學(xué)學(xué)報，2014，25（4）：67-71.

[14] ? 段宣祥，賀明智，張立偉. 移相全橋變換器占空比丟失問題的研宄[J].電力電子技術(shù)，2012，46（4）：26-28.

Abstract： In view of the fact that the phase-shifted full-bridge converter gradually decreases with load， the switch of the lagging arm realizes the narrowing of the soft-switching range and the converter efficiency is reduced. The condition of the soft-switching of the bridge arm is to study the influence of different values of the resonant inductor on the duty cycle loss， the soft-switching of the lagging arm， and the converter efficiency by analyzing the working principle of the converter and realize soft switching condition about the bridge arm of the converter. The phase-shifted full-bridge converter circuit parameters are designed and simulated by saber software. The results verify the appropriate resonant inductor value， which can increase the soft-switching range of the lagging arm and optimize the converter efficiency.

Key words： phase shift full bridge converter; soft switch; efficiency optimization; lagging leg; resonance inductor

（責(zé)任編輯：黎 ? 婭）