一种有限双极性控制ZVZCSPWM全桥变换器

摘要：研究了一种有限双极性控制ZVZCSPWM全桥变换器,分析了电路原理,给出了一个应用实例。

关键词：有限双极性控制；零电压零电流开关；全桥变换器

1 引言

全桥移相ZVS变换器近年来得到广泛注意。然而，这种控制方法有几个明显的缺点：

1）由于存在环流，开关管的导通损耗大，轻载下效率较低,特别是在占空比较小时，损耗更严重；

2）输出整流二极管存在寄生振荡；

3）为了实现滞后桥臂的ZVS，必须在电路中串联电感，这就减小了有效占空比，增大了原边电流定额。

为了解决这些问题，人们对全桥移相ZVZCS变换器进行了大量研究。其主要思路是超前桥臂实现ZVS，滞后桥臂实现ZCS。这样在很大程度上解决了原先全桥移相ZVS变换器存在的一些问题。如环流在很大程度上减小乃至消除了；由于不需要外加电感，有效占空比减小等问题随之就不存在了。实现滞后桥臂的ZCS，总的来讲，可以分成有源和无源两种方法。采用副边有源钳位的ZVZCS方法[1]增加了成本，并由于需要复杂的隔离驱动而降低了可靠性。无源的方法又有副边无源钳位[2]和原边无源钳位[3][4]，也可以原副边的无源钳位同时加上，这样效果更好。

但移相控制本身还有一个难以克服的缺点，即死区时间不好调整。当负载较重时，由于环流大，超前桥臂功率管上并联的电容放电较快，因此实现零电压导通比较容易，但当负载较轻时，超前桥臂功率管上并联的电容放电很慢，超前桥臂的开关管必须延时很长时间后导通才能实现ZVS导通。专用的移相控制芯片如UC3875等很难调整这个死区时间。本文研究了一种称为有限双极性控制的控制方法，配合上面的ZVZCS PWM全桥拓扑，能实现超前和滞后桥臂全范围的ZVZCS。

2 ZVZCS PWM全桥电路有限双极性控制过程分析

有限双极性控制ZVZCS PWM全桥电路功率部分如图1所示。Q1～Q4四个功率管（内带续流二极管）组成一个全桥电路。其中，Q1、Q2组成超前桥臂，两端分别并联有吸收电容C1、C2，用来实现Q1、Q2的ZVS。L1为高频变压器的漏感。Cb为隔直电容，用来实现滞后臂（由Q3、Q4组成）的ZCS。

图1 ZVZCSPWM全桥电路示意图

在有限双极性方法控制下，Q1～Q4的驱动时序见图2。其中ug1、ug2为脉宽可调的定频变宽脉冲；ug3、ug4为互补方波，频率、脉宽固定。当然考虑到直通的问题，ug3、ug4不能同时为1，要错开一个固定的死区时间。ug1、ug4的上升沿（表示Q1、Q4开始导通）一致，ug2、ug3的上升沿一致。uAB表示加在隔直电容及变压器两端的电压。由于超前桥臂并联电容的存在，变压器端电压在下降时不会突然到零，而是有个过渡过程，其时间取决于并联电容的大小及负载电流等条件。ip为变压器绕组电流。ucb为隔直电容Cb上的电压，其幅值取决于Cb大小及其它条件，Cb越小，ucb幅值越大，ZCS实现得越好，但同时开关管电压应力又增大，因此Cb不能太小，一般要让ucb最大值小于直流输入电压的10％。

图2 全桥电路有限双极性控制时序及各变量响应图

电路工作过程分析如下：

1）t0时刻Q1、Q4同时导通，变压器原边电流ip开始上升，流向是从Q1到L1、变压器、Cb、Q4。功率从原边流向副边，同时隔直电容Cb上的电压开始上升。为了简化分析，暂不考虑变压器的励磁电流和副边电流Io的波动，因此变压器原边电流ip(t)为

ip(t)=Ipo=Io/n（1）

式中：n为变压器原副边匝比。

当然，实际电路中由于副边整流二极管的反向恢复过程，ip(t)上升沿有一个尖峰，见图2。

Cb两端电压ucb(t)为