PSFB-ZVS電路的研究

李　群

(中國船舶重工集團公司第723研究所，揚州 225001)

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PSFB-ZVS電路的研究

李群

(中國船舶重工集團公司第723研究所，揚州 225001)

摘要：軟開關技術的應用使得中大功率電源在體積、效率等方面的性能有較大的提升。對一種中大功率開關電源的軟開關電路進行仿真研究，該電路采用移相全橋零電壓開關(PSFB-ZVS)變換器拓撲結構，應用比例積分(PI)控制器和移相角調節技術實現電壓的穩定輸出，且4個開關管實現零電壓開通。實驗結果表明，所設計的電源性能良好，可作為后續的數字化電源的研究參考。

關鍵詞：移相全橋；軟開關技術；Matlab仿真

0引言

移相全橋零電壓開關(PSFB-ZVS)變換器電路是一種較成功的軟開關變換器，具備功率變壓器利用率高、輸出功率大、開關器件電壓應力低等傳統全橋變換器的優點;同時由于工作在軟開關狀態下,開關損耗小，效率較高:因此移相全橋ZVS變換器已廣泛應用在中、大功率場合。

開關電源若想實現小型化，最直接的辦法是提高開關頻率。但開關頻率越高，其開關損耗越大，電路的效率隨之降低，電磁干擾隨之增大。軟開關技術的實現對于改善電源損耗、提高工作頻率、降低電源體積與重量有著顯著的作用。零電壓開關技術是軟開關技術中的一種，其利用電感與電容組成諧振電路，使開關器件中的電壓按照正弦或準正弦的規律變化，當開關器件開通前，使其電壓降為零，從而達到減少開關損耗的目的[1]。

1移相全橋ZVS變換器原理

1.1電路拓撲結構

移相全橋ZVS變換器主拓撲圖如圖1所示，電路結構主要包括全橋電路的4個功率開關管(Q1～Q4)、4個開關管的體二極管(D1～D4)、4個開關管的結電容(C1～C4)、諧振電感Lr、變壓器、全波整流電路的2個整流二極管(DR1，DR2)、輸出濾波電感Lf、輸出濾波電容Cf。

圖1　移相全橋ZVS變換器主拓撲圖

1.2電路工作原理

圖2為移相全橋電路的工作模態示意圖。以往

的全橋電路控制方式是使開關管Q1與Q4，Q2與Q3同時開通與關斷，2對開關管交替開通與關斷，每只開關管的導通時間小于1/2開關周期。而移相控制方式是對以往控制方式的一種改進，在保證變壓器原邊電壓波形不變和同一橋臂上下開關管不直通的狀態下，4只開關管始終是處于全脈寬(除死區外)導通狀態。

如圖2所示，Vgs為4個開關管的驅動波形，Q1(Q3)超前于Q4(Q2)α電角度開通，α即為移相角。通常將Q1與Q3構成的橋臂稱為超前臂，Q2與Q4構成的橋臂為滯后臂。通過調節移相角α的大小即可調節變壓器原邊交流方波電壓占空比，從而調節輸出電壓的大小。

圖2　移相全橋ZVS變換器工作模態

1.3軟開關實現原理

移相全橋ZVS的實現主要是依靠變壓器漏感和外接諧振電感中的儲能對并聯在開關管兩端的電容和寄生電容充放電，并利用開關管體二極管的導通箝壓，使得開關管實現零電壓開通。如圖2所示，t0～t1期間超前臂發生諧振，在t1時刻開關管Q3的漏源之間電壓諧振到零，之后諧振電流經體二極管續流，維持Q3漏源極之間的零電壓，在此狀態下施加Q3開通信號，即可實現Q3的零電壓開通。同樣在t2～t3時間段內，滯后臂發生諧振，Q2在t4時刻實現零電壓開通。依次類推Q1、Q4都能實現零電壓開通。不同的是發生超前臂諧振時，實現ZVS的能量主要由變壓器漏感、外接諧振電感Lr和輸出濾波電感提供；而滯后臂諧振時，實現ZVS的能量主要由變壓器漏感和外接諧振電感提供。一般漏感儲能較少，在輕載的時候，滯后臂實現ZVS較為困難[2-4]。

2移相全橋ZVS變換器仿真

2.1仿真模型

本文設計的移相全橋ZVS變換器電路仿真模型如圖3所示。圖中功率電路主拓撲采用圖1的拓撲結構，變壓器一次側采用移相全橋拓撲結構，變壓器二次側采用全波整流結構。系統仿真參數如下：輸入電壓為直流435 V，輸出電壓為50 V，輸出功率為500 W，開關頻率為300 kHz，諧振電感Lr，感量為100 μH，變壓器取變比K=7，輸出濾波電感Lf感量為15 μH，輸出濾波電容Cf容量取220 μF。

圖3　移相全橋電路仿真圖

圖3中PI控制器即為仿真電路的控制部分，本文采用的是電壓單環控制策略，通過PI控制器控制實現輸出穩壓。在圖3中的脈寬調制(PWM)驅動模塊里，通過π與前級PI控制器輸出做差后即可得到所需的移相角。具體產生驅動信號，則在PWM驅動模塊里通過Simlink中的傳輸延遲器件，在由脈沖產生器產生的互補信號基礎上分別設置對應的需延遲的移相角，即可實現動態調節移相角的開關管驅動。

2.2移相全橋ZVS變換器仿真結果

仿真模型系統根據電路的狀態產生合適的移相角，使得輸出電壓趨于穩定。圖4所示自上而下分別為開關管Q1～Q4的驅動信號。為避免直通，同一橋臂上下開關管驅動存在死區，同時對角開關管(Q1與Q4、Q3與Q2)相差一定的移相角才相繼導通。

圖4　開關管驅動信號

圖5中自上而下分別為滿載時輸出電壓與電流的波形圖。 從圖5可以看出，電路系統穩定時，其輸出電壓穩定在50 V左右，電流穩定在10 A左右，且電壓紋波較小，滿足所需設計的輸出要求。在系統仿真初期，電路未達穩定狀態，輸出電壓有一超調，經過環路調節后，系統很快達到穩定狀態。

圖5　滿載時輸出波形

圖6中自上而下分別為變壓器一次側電壓波形和二次側電壓波形。對比圖6中一次側、二次側電壓波形可以看出，變壓器二次側的占空比小于一次側占空比，這是由于諧振狀態的存在，導致二次側發生占空比丟失[2-3]。

圖6　變壓器一次側、二次側電壓波形

如前文所述可知，軟開關在負載較重時容易實現，并且移相全橋ZVS變換器的超前臂較滯后臂更容易實現ZVS，所以只要滿足使滯后臂實現ZVS，就可使超前臂實現ZVS。圖7自上而下依次為滯后臂開關管漏源電壓波形和對應的驅動波形，從圖中可以看出在開關管導通前，漏源兩端電壓已降為零，在開關管關斷后，漏源兩端電壓開始線性上升，從而實現軟開關功能。

圖7　滯后臂軟開關波形

3試驗結果

圖8(a)所示為基于以上所述設計的電源樣機，圖8(b)為滯后臂軟開關波形圖。波形圖中CH1為

滯后臂開關管驅動波形(橫軸：500 ns/格，縱軸：5 V/格)，CH2為開關管漏源電壓波形(橫軸：500 ns/格，縱軸：500 V/格)。從圖中可看出滯后臂開關管開通時，開關管漏源電壓已降為0 V，即樣機實現了零電壓開通功能。

4結束語

本文針對大中功率開關電源的軟開關電路進行了仿真研究。仿真及試驗結果表明，設計的系統輸出達到所需的要求，零電壓開通功能得以實現。通過對拓撲結構及模型參數修改，本方法同樣適用于高壓電源仿真設計。另外，數字化也是開關電源未來發展的一個重要方向。

本文中除了拓撲電路為必備的硬件外，針對電路的控制策略即所設計的PWM調制模塊和PI控制器模塊均可實現數字化，可作為后續數字化電源的研究參考。

圖8　電源樣機及滯后臂軟開關波形

參考文獻

[1]張占松,蔡宣三.開關電源的原理與設計[M].北京：電子工業出版社,2000.

[2]孫筱琳.50V/50A移相全橋ZVS DC/DC變換器的設計[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學,2008.

[3]李偉東.大功率全橋移相軟開關電源的研究[D].成都：西南交通大學,2004.

[4]邱爽,王志強.ZVS移相全橋變換器的建模與仿真[J].通信電源技術,2008,25(4):6-8.

Study of PSFB-ZVS Circuit

LI Qun

(The 723 Institute of CSIC,Yangzhou 225001,China)

Abstract:The performances (such as volume,efficiency) of the power supply with middle-high power are improved greatly by using the soft-switch technology.This paper performs simulative study to the soft-switch circuit of a switch power supply with middle-high power.The circuit adopts topology structure of phase-shifted full-bridge zero voltage switching (PSFB-ZVS) converter,applies the proportion integration (PI) controller and the phase-shifted angle adjustment technique to realize the stable output of voltage,and accomplishes zero voltage switching by means of 4 switch tubes.The experiment result shows that the designed power supply has good performance and can be taken as the reference of future digital power supply study.

Key words:phase-shifted full-bridge;soft-switch technology;Matlab simulation

DOI:10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.01.024

中圖分類號：TN710

文獻標識碼：A

文章編號：CN32-1413(2016)01-0105-04

收稿日期:2015-01-19