移相全橋零電壓PWM軟開關(guān)電路

文中介紹了移相全橋零電壓PWM軟開關(guān)電路組成及工作原理,并從時(shí)域上詳細(xì)分析了軟開關(guān)的工作過(guò)程,闡述了超前臂和滯后臂的諧振過(guò)程,最后給出了PWM款開關(guān)電路占空比丟失的原因和電路的能量轉(zhuǎn)換方式。

??? 關(guān)鍵詞：移相 軟開關(guān) 諧振技術(shù)

通信開關(guān)電源現(xiàn)在正在朝著大功率、小體積、高效率的趨勢(shì)發(fā)展,目前這一領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)是采用新的軟開關(guān)電路來(lái)降低開關(guān)損耗和提高開關(guān)頻率。近幾年來(lái),我國(guó)通信開關(guān)電源先后經(jīng)歷了PWM硬開關(guān)變換器,諧振變換器,零電壓準(zhǔn)諧振變換器和全橋零電壓PWM軟開關(guān)變換器四個(gè)階段。

1 軟開關(guān)電路

軟開關(guān)可分為零電流開關(guān)（ZCS）、零電壓開關(guān)（ZVS）和零電壓零電流開關(guān)（ZV-ZCS）等三種開關(guān)形式,又有軟開通和軟關(guān)斷兩種。普通PWM變換器以改變驅(qū)動(dòng)信號(hào)的脈沖寬度來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓,且在功率開關(guān)管開關(guān)期間存在很大損耗,因此,這種硬開關(guān)電源的尖峰干擾大,可靠性差,效率低。而移相控制全橋軟開關(guān)電源則是通過(guò)改變兩臂對(duì)角線上下管驅(qū)動(dòng)電壓移相角的大小來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓,這種方式是讓超前臂管柵壓領(lǐng)先于滯后臂管柵壓一個(gè)相位,并在IC控制端對(duì)同一橋臂的兩個(gè)反相驅(qū)動(dòng)電壓設(shè)置不同的死區(qū)時(shí)間,同時(shí)巧妙地利用變壓器漏感和功率管的結(jié)電容和寄生電容來(lái)完成諧振過(guò)程以實(shí)現(xiàn)零電壓開通,從而錯(cuò)開了功率器件電流與電壓同時(shí)處于較高值的硬開關(guān)狀態(tài),并有效克服了感性關(guān)斷電壓尖峰和容性開通時(shí)管溫過(guò)高的缺點(diǎn),減少了開關(guān)損耗與干擾。

這種軟開關(guān)電路的特點(diǎn)如下：

（1）移相全橋軟開關(guān)電路可以降低開關(guān)損耗,提高電路效率。

（2）由于降低了開通過(guò)的du/dt,消除了寄生振蕩,從而降低了電源輸出的紋波,有利于噪聲濾波電路的簡(jiǎn)化。

（3）當(dāng)負(fù)載較小時(shí),由于諧振能量不足而不能實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān),因此效率將明顯下降。

（4）該軟開關(guān)電路存在占空比丟失現(xiàn)象,重載時(shí)更加嚴(yán)重,為了能達(dá)到所要求的最大輸出功率,則必須適當(dāng)降低變化,而這將導(dǎo)致初級(jí)電流的增加并加重開關(guān)器件的負(fù)擔(dān)。

（5）由于諧振電感與輸出整流二極管結(jié)電容形成振蕩,因此,整流二極管需要承受較高的峰值電壓。

2 工作原理

移相全橋零電壓PWM軟開關(guān)的實(shí)際電路如圖1所示。它由4只開關(guān)功率管S1、S2、S3、S4(MOSFET或IGBT)、4只反向并接的高速開關(guān)二極管D1、D2、D3、D4以及4只并聯(lián)電容C1、C2、C3、C4（包括開關(guān)功率管輸出結(jié)電容和外接吸收電容）組成,與硬開關(guān)PWM電路相比該電路僅多了一個(gè)代表變壓器的漏感與獨(dú)立電感之和的諧振電感Lr。零電壓開關(guān)的實(shí)質(zhì),就是在利用諧振過(guò)程中對(duì)并聯(lián)電容的充放電來(lái)讓某一橋臂電壓UA或UB快速升到電源電壓或者降到零值,從而使同一橋臂即將開通的并接二極管導(dǎo)通,并把該管的端電壓箝在0,為ZVS創(chuàng)造條件。電路中的4個(gè)開關(guān)功率管的開關(guān)控制波形如圖2所示。

該波形在一個(gè)周期內(nèi)被按時(shí)域分成了8個(gè)區(qū)間,每個(gè)區(qū)間代表電路工作的一個(gè)過(guò)程。除死區(qū)時(shí)間外,電路中總有兩個(gè)開關(guān)同時(shí)導(dǎo)通;共有四種組態(tài)：S1和S4、S1和S3、S2和S3、S2和S4,周而復(fù)始。由圖2可知,當(dāng)S1和S4、S2和S3組合時(shí),即T0-T1、T4-T5時(shí)間段為工作電路輸出功率狀態(tài),而在S1和S3、S2和S4組合時(shí),即T2-T3、T6-T7時(shí)間段為電路續(xù)流狀態(tài);T3-T4、T7-T8時(shí)間段內(nèi)為從續(xù)流狀態(tài)向輸出功率轉(zhuǎn)換的諧振過(guò)程;T1-T2、T5-T4時(shí)間段內(nèi)為從輸出功率狀態(tài)向續(xù)流狀態(tài)轉(zhuǎn)換的諧振過(guò)程,后四個(gè)區(qū)間稱為死區(qū),諧振過(guò)程都發(fā)生在死區(qū)里,死區(qū)時(shí)間由控制器來(lái)設(shè)置。

下面具體分析各個(gè)區(qū)間的工作原理。

2.1 輸出功率狀態(tài)1（T0-T1）

假如初始狀態(tài)為T0-T1區(qū)間,那么,此刻的功率開關(guān)管S1、S4都處于導(dǎo)通狀態(tài),A、B兩點(diǎn)間的電壓為U,初級(jí)電流從初始Ip點(diǎn)線性上升,變壓器次級(jí)感應(yīng)的電壓將使DR2導(dǎo)通,DR1截止,輸出電流經(jīng)DR2流向輸出電感,并在電容儲(chǔ)能后給負(fù)載提供電流,到達(dá)T1時(shí)刻時(shí),輸出功率狀態(tài)1過(guò)程結(jié)束。

2.2 超前臂諧振過(guò)程1（T1-T2）

當(dāng)T1時(shí)刻到來(lái)時(shí),開關(guān)管S4由導(dǎo)通變?yōu)榻刂?存儲(chǔ)在電感的能量對(duì)C4進(jìn)行充電,同時(shí)C3放電以使B點(diǎn)的電壓漸漸升高,當(dāng)C4的電壓充到U時(shí),D3導(dǎo)通,開關(guān)功率S3的源漏電壓為0,從而為開關(guān)功率管S3零電壓的開通準(zhǔn)備了條件。因?yàn)榇渭?jí)輸出電感參與諧振,等效電感為k2L,所以電感儲(chǔ)能充足,很容易使B點(diǎn)達(dá)以U值,故超前臂容易實(shí)現(xiàn)零電壓開通。

在這一過(guò)程中參與諧振的電容量為C3和C4的并聯(lián),電感量為L(zhǎng)r與次級(jí)感應(yīng)的串聯(lián)電感量。即：

C=C3+C4,L=Lr+k2L

超前臂諧振過(guò)程的微分方程如下：

LC（d2Uc/dt2）+Uc=kU0

其中初始狀態(tài)的Uc(0)=U,iLr(0)=I0/k。

2.3 續(xù)流狀態(tài)1（T2-T3）

由于開關(guān)功率管S1、S3都導(dǎo)通,此時(shí)A點(diǎn)與B點(diǎn)的電位皆為U,變壓器初始處于短路狀態(tài)而不輸出功率。從T2時(shí)刻起,輸出電感L兩段端的電壓極性變反,輸出電感由儲(chǔ)能狀態(tài)變?yōu)榉拍軤顟B(tài),負(fù)載由輸出電感和輸出電容提供電流,相應(yīng)的變壓器的初級(jí)電流仍按原方向流動(dòng),進(jìn)入續(xù)流狀態(tài)后,電流略有下降。變壓器初始電流通過(guò)開關(guān)功率管和二極管使開關(guān)功率管的損耗得以減小。

2.4 滯后臂諧振過(guò)程1（T3-T4）

當(dāng)T3時(shí)刻到來(lái)時(shí),開關(guān)管S1由導(dǎo)通變?yōu)榻刂?儲(chǔ)能電感對(duì)C1開始充電,同時(shí),電容C2開始放電使A點(diǎn)的電壓逐漸下降,直到C2的電壓為0使D2導(dǎo)通。從而為開關(guān)功率管S2的零電壓導(dǎo)通準(zhǔn)備了條件。在這一過(guò)程中,參與諧振的電容量為C1和C2的并聯(lián),電感僅為L(zhǎng)r,即C=C1+C2,L=Lr

滯后臂諧振過(guò)程的微分方程為：

LC（d2Uc/dt2）+Uc=0

其中初始狀態(tài)時(shí)的Uc(0)=0,iLr(0)=I0/k。

在這一過(guò)程中,由于只有Lr參與諧振,而諧振開始時(shí)如果Lr的電流Ilr較小,Lr儲(chǔ)能不夠,那么電容C的諧振電壓Uc的峰值就有可能達(dá)不到U,這樣二極管將不能導(dǎo)通,其對(duì)應(yīng)的開關(guān)就不能實(shí)現(xiàn)零電壓開通。為了使電容的諧振電壓峰值能夠達(dá)到U,電感的儲(chǔ)能必須足夠高,因此在諧振開始時(shí),電感Lr的電流Ilr必須滿足：

1/2（Li2Lr）=1/2(CU2)

這一等式就是設(shè)計(jì)諧振電感Lr的依據(jù)。

2.5 輸出功率狀態(tài)2（T4-T5）

此過(guò)程時(shí),開關(guān)功率管S2、S3導(dǎo)通,變壓器初始電流從B流向A,AB兩點(diǎn)電壓為-U,變壓器次級(jí)感應(yīng)電壓使DR1處于導(dǎo)通狀態(tài),并通過(guò)DR1為輸出電感、電容儲(chǔ)能。

2.6 超前臂諧振狀態(tài)2（T5-T6）

此過(guò)程中,開關(guān)功率管S3由導(dǎo)通變?yōu)榻刂?電容C3開始充電,電容C4開始放電,B點(diǎn)電壓逐漸下降到0,為開關(guān)功率管S4的零電壓開通準(zhǔn)備條件。

2.7 續(xù)流狀態(tài)2（T6-T7）

此時(shí),A、B兩端電壓為0,初級(jí)電流按原方向流動(dòng),電流強(qiáng)度逐漸減小,變壓器次級(jí)的DR2仍處于導(dǎo)通狀態(tài),以維持電感給負(fù)載所提供的電流。

2.8 滯后臂諧過(guò)程2(T7-T8)

在T7時(shí)刻,開關(guān)功率管S2從導(dǎo)通變?yōu)榻刂?電容C2開始充電,而電容C1開始放電使A點(diǎn)的電壓逐漸上升到U,從而二極管D1導(dǎo)通,為開關(guān)功率管S1的零電壓開通準(zhǔn)備了條件。至此,一個(gè)周期結(jié)束。

3 電路分析

3.1 兩個(gè)諧振過(guò)程的比較

在輸出功率狀態(tài)向續(xù)流狀態(tài)轉(zhuǎn)換的諧振過(guò)程中,由于其電感大（L=Lr+k2L）,儲(chǔ)能多,因此負(fù)載電流在很小時(shí)便可以使電容電壓諧振到零,因此,相位超前的兩個(gè)橋臂開關(guān)S3、S4很容易實(shí)現(xiàn)零電壓開通。

而在續(xù)流狀態(tài)向輸出功率狀態(tài)轉(zhuǎn)換的諧振過(guò)程中,其電感較小,只有Lr參與諧振。所以儲(chǔ)能小,負(fù)載電流零達(dá)到一定值才可以使電容電壓諧振到U,因此,相位滯后的兩個(gè)橋臂S1、S2不太容易實(shí)現(xiàn)零電壓開通。

為了使后者容易實(shí)現(xiàn)零電壓開通,在設(shè)計(jì)開關(guān)功率管控制信號(hào)時(shí),應(yīng)使滯后臂的死區(qū)時(shí)間大于超前臂的死區(qū)時(shí)間,并使C1、C2的值小于C3、C4.

3.2 占空比丟失現(xiàn)象

移相全橋零電壓PWM軟開關(guān)電路有一個(gè)特殊現(xiàn)象就是占空比的丟失。它總是發(fā)生在續(xù)流狀態(tài)向輸出功率狀態(tài)轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)。在T4時(shí)刻,開關(guān)功率管S2剛開通,諧振電感Lr的電流剛剛衰減到零或尚未衰減到零,變壓器初級(jí)處于續(xù)流狀態(tài),其兩端的電壓為零,諧振電感Lr承受的電壓為U,其電流反向逐漸增大,只有當(dāng)其電流增大到I0/k時(shí),變壓器才退出續(xù)流狀態(tài),兩端的電壓才升到U,電感Lr中的電流才不再增大。這樣,從S2開通到變壓器退出續(xù)流狀態(tài),變壓器并不輸出電壓,這一段時(shí)間即為丟失的占空比,其占空比為：

ΔD=2LrI0/（kUT）

從式中可以看出,諧振電感Lr越大,負(fù)載電流I0越大,占空比丟失也越嚴(yán)重。占空比丟失現(xiàn)象將直接導(dǎo)致開關(guān)功率管的損耗增大,故必須采取措施加以克服,目前通常采用減小變比來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3.3 能量轉(zhuǎn)換

該移相全橋零電壓PWM軟開關(guān)電路在主變壓器（原邊）初級(jí)串聯(lián)附加了諧振電感,從而促進(jìn)了電路中滯后臂實(shí)現(xiàn)ZVS。因同一橋臂的兩只并聯(lián)電容在開關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)的充放電能量將達(dá)到Wc=1/2（CU2）,即一充一放的電容儲(chǔ)能變化達(dá)CU2,這么大的電場(chǎng)能量需用電感中的磁能來(lái)轉(zhuǎn)換。為了順利完成并聯(lián)電容的充放電,使并接二極管導(dǎo)通箝位。電路中設(shè)計(jì)了足夠大的電感來(lái)幫助電容器中電荷實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)變,電路中的Lr、L的作用就在于此。

4 結(jié)束語(yǔ)

??? 同普通全橋相比,移相全橋軟開關(guān)電路具有開關(guān)損耗低,電路效率高的優(yōu)點(diǎn),但也存在缺點(diǎn),如何在保留其優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上改進(jìn)它的缺點(diǎn)還需要進(jìn)一步研究。