大功率电镀高频开关电源的设计分析

　　ZVS移相全桥变换器超前臂和滞后臂都实现零电压开关(ZVS)。由于变压器原边漏感和输出滤波电感的存在，超前臂关断时电流不会突变，只能实现ZVS。同样，由于变压器原边漏感的存在，滞后臂关断(或另一只开通)时，如果不设法使电流复位(减小至0)的话，也只能实现ZVS。实现的方法同样是在其开关管两端并联电容。ZVS移相全桥变换器的原理图如图5所示。

　　为了更好地理解其工作原理，在分析ZVS移相全桥变换器工作原理之前，先作如下假设:

　　① 所有开关管、二极管均为理想器件；

　　② 除特别指定外(如变压器漏感)，所有电容、电阻、电感、变压器均为理想元件；

　　③ 与开关管并联的电容中，Cl=C3，C2=C4；

　　④ 输出滤波电感L远大于变压器漏感，即L>>Lk。

　　ZVS移相全桥电路在主功率管Ql、Q4导通切换到Q3、Q2导通的半个开关周期中，要经历6个开关模态。其中a b两点间电压Vab。变压器原边电流ip和整流桥输出电压Vrect的波形如图6所示。分述如下。

　　图中二极管改为空心通直线，电容为平行线

　　（1）开关模态1

　　[t-，t0] 时刻：t0时刻之前，Ql、Q4导通。原边电流经Ql，主变压器原边，Lk，Q4向副边传输能量。a b间电压Vab=Vi，原边电流ip线性上升。

　　（2）开关模态2

　　[t0，t1]时间段：t0时刻，Q1关断，由于有C1的存在， Ql电压不能突变，电压缓升，是零电压关断。Ql关断后，a b间电压Vab开始迅速下降，但是仍大于0，故此时副边仍工作在整流状态。可认为输出滤波电感L与原边漏感Lk串联。因为电感电流不能突变，所以ip仍按原方向流动，并逐渐减小。电流ip给Cl充电，给C3放电。Vab在tl时刻减小到0。

　　（3）开关模态3

　　[t1，t2]时间段：t1时刻，C1充电，C3放电均结束，Vab减小到0。Q3的反并二极管D3自然导通。此[t1，t2] 时间段中开通Q3，则Q3是零电压开通。开通Q3时，由于原边电流方向不变，Q3上不会立即有电流流过。原边电流ip仍然流过D3，主变压器原边，漏感Lk和Q4，形成环流。

　　（4）开关模态4

　　[t2，t3]时间段：t2时刻关断Q4以后，原边电流ip给C4充电，给C2放电。由于Vab= -Vc4，副边整流管D2和D3开始导通，这使得整流桥工作在四只管子都导通的续流状态。在反向电压的作用下，ip下降速率增大。

　　（5）开关模态5

　　[t3，t4]时间段：t3时刻，C2放电至0，C4充电至Vi。Q2的反并二极管D2自然导通。这个时间内开通Q2，则Q2是零电压开通。此外，原边电流ip在-Vi的作用下，迅速下降。

　　（6）开关模态6

　　[t4，t5] 时间段：原边电流ip在-Vi的作用下减小至0并反向增加，但这时的原边电流很小，无法向负载输送能量，因此副边整流管仍然工作在续流模式下，直至t5时刻，原边电流反向增大，足以给负载供电。此后原边电流经回路Q2，漏感Lk，主变压器原边，Q3向负载供电，切换过程结束。

　　5 ZVS移相控制软开关控制方式存在的问题

　　由以上分析可以看出，ZVS移相全桥变换器要实现软开关，必须在有限时间内有足够的电流抽取开关管并联电容(附加并联电容与结电容之和)上的电荷，使开关管两端电压下降至0。既然ZVS移相全桥变换器软开关的实现与原边电流有关，那么在负载较轻的情况下，原边电流较小，使得零电压开关难实现，这是ZVS移相全桥变换器最大的缺点。

　　实际上超前臂和滞后臂实现软开关的条件有所差别。超前臂开关时，副边整流管工作在整流状态，输出滤波电感相当于串联在原边漏感上，电流变化率小，开关管并联电容上的电荷抽取速度快。滞后臂开关时，副边整流管工作在续流状态，只有原边漏感维持原边电流，电流变化率大，开关管并联电容上的电荷抽取速度慢。因此滞后臂软开关实现较超前臂为困难，这也是ZVS移相全桥变换器的缺点。

　　为了让滞后臂实现ZVS更加容易，增大原边电流成了最直接的想法。原边电流的增大可以用增加励磁电流，或增大漏感(或外加的谐振电感)来实现。

　　[t2，t4]时间段， 主变压器原边的电流尚未衰减到零、或恰好衰减到零，变压器初级处于续流状态,其两端的电压为零；[t4，t5]时间段，开关功率管Q2、Q3刚刚要开又未完全开通。从变压器退出续流状态，到t5时间后开关管完全开通，变压器并不输出电压，该段时间(图6阴影部分)即为丢失的占空比。占空比丢失是因电感剩余储能造成的。由于电感储能和流过电流的平方成正比，故重载时占空比丢失较为严重。即在原边承受方波电压时，由于支路上电感的存在，原边电流较小，无法向副边输送能量，反映为副边输出的占空比较原边为小。即ZVS移相造成了输出占空比丢失，也是ZVS移相全桥变换器的缺点。

　　此外，如图6所示，[t1，t2]时间段原边电流在D2，主变压器原边，Lk，Q4之间形成环流的时候，电路仍处在续流模式。这表示电路中存在较大的环流，环流在半导体器件尤其是反并二极管中消耗较大能量，造成效率降低。而按前边的讨论，环流越大，软开关越容易。软开关提高的效率和环流降低的效率之间的矛盾，也是ZVS移相全桥变换器的缺点之一。

　　6 结束语

　　综上所述，ZVS移相全桥变换器存在轻载难以实现软开关、滞后臂软开关实现困难、占空比丢失与软开关条件相矛盾、以及环流损失相当一部分效率四大固有缺点，这些缺点仍然是今后需要继续研究解决的问题。