ZVS移相全橋變換器的優化設計與仿真

于仲安 葛庭宇 何俊杰

摘 ?要： 針對傳統的零電壓（ZVS）、零電壓零電流（ZVZCS）移相全橋變換器的各種缺陷以及實際參數選取困難的問題，采用一種改進型零電壓移相全橋軟開關變換器，即在原邊鉗位兩個超快恢復二極管與一隔直電容來降低副邊電路的寄生震蕩以防止變壓器進入磁飽和，為進一步提高變換器的效率，副邊采用全波整流。對所設計的電路進行細致的原理分析，給出若干關鍵值的優化計算過程，并以UC3875作為控制芯片，通過saber仿真驗證理論分析的合理性，結果表明電路在實現軟開關的同時也抑制了副邊整流器件的電壓應力，證明了所提優化方案的可靠性。

關鍵詞： 軟開關變換器; 移相全橋變換器; 零電壓開關; 電壓應力; 全波整流; 優化計算

中圖分類號： TN710?34; TM743 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 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

移相全橋軟開關變換器因其效率高、發展比較成熟、控制相對簡單以及高頻化和輕量化，常應用于中大功率場合[1?3]。目前軟開關技術的實現主要有兩種方法：一是ZVZCS，即超前臂實現零電壓開通與滯后臂實現零電流關斷;二是ZVS，即四個開關管均實現零電壓開通。實現ZVZCS的關鍵在于變壓器原邊電流的復位，最初采用在原邊串聯一隔直電容與飽和電感，利用隔直電容提供復位電壓，這使得滯后臂電壓應力變大，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合[4]。通過給滯后臂開關管串聯二極管來阻止原邊電流反向，但卻無法避免導通損耗[5]。

當前應用的ZVS技術普遍存在磁通不平衡、效率低下、占空比丟失嚴重等缺點[6?8]。通過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，并能在負載較大的范圍內實現ZVS，但原邊有環流且半橋電路效率較低。對于副邊整流電路，二極管在正負半周期換流的過程中其寄生電容與原邊電感發生諧振，再加上其反向恢復特性，導致應力急劇增大。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雜的驅動電路，而副邊雙諧振電路只有電容濾波，與傳統的LC濾波相比，在速度和效果上欠佳。

基于以上分析，本文設計通過在ZVS移相全橋變換器的原邊串聯一合適電容防止變壓器因磁通不平衡而引起飽和，再附加一對鉗位二極管將副邊寄生震蕩產生的能量回饋至原邊。不僅能夠抑制震蕩和電壓尖峰，而且結構簡潔方便易于實現，最后通過仿真驗證了所提電路以及參數選取的合理性。

1 ?電路結構及工作原理

圖1為主電路拓撲，與傳統的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 ?改進型移相全橋拓撲

圖2 ?變換器理想工作狀態圖

2 ?關鍵參數的計算與選取

基于上述分析，電路基本參數的選取為：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];開關頻率[fs=100] kHz;開關管選用IRF460型MOSFET;輸出整流二極管選取MUR3060超快恢復型;變壓器變比[n=7];最大占空比[Dmax=0.9]。由AP法計算采用EE42型磁芯。

2.1 ?死區時間與諧振電路的設計

從理論上講，死區時間的設置不能一概而論，超前臂與滯后臂的工作狀態不同，有著不同的設置方法。一般來講死區時間需大于下降延遲時間和下降時間[td（off）+tf]。通過IRF460的手冊可知兩者之和為228 ns，為保險起見設置為[tdead=]500 ns。

2.2 ?輸出濾波電路的設計

3 ?仿真結果分析

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進行仿真。圖3分別為超前臂和滯后臂的驅動波形與開關管電壓波形，可以明顯看出在開通驅動信號來臨之前MOS管壓降已經降為零。

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關波形，從圖中可知MOS管電壓降為零一段時間后電流才開始上升，零電壓開通效果完全實現。零電壓關斷近似實現，極大地降低了開關管的損耗。

圖4 ?軟開關波形

圖5 ?整流二極管電壓波形

圖6 ?輸出電壓波形

4 ?結 ?論

本文通過綜合考慮傳統的ZVS與ZVZCS移相全橋的各種不足之處，采用改進型拓撲加以分析，并對其主要參數進行優化設計。仿真結果表明，本文的優化設計能很好地實現軟開關，降低副邊整流電路的震蕩應力，在降低電路損耗的同時也延長了電路的使用壽命，具有相應的工程價值以及參考性。

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