小电流纹波的ZVZCS全桥PWM变换器研究

摘要：为了减小输出电流的纹波，在传统的全桥移相零电压零电流(ZVZCS)-PWM变换器的基础上设计了一种优化的变换器。通过在次级引入一个辅助电路，既能使超前臂实现ZVS，滞后臂实现ZCS，又能减小输出电流纹波。辅助电路中无损耗元件和有源开关，能克服传统变换器的缺点。该电路具有高效率，低损耗，小电流纹波和能带大功率负载的优点。根据电路特征和设计要求，选择采用2．5 kW，100 kHz的IGBT作为基本元件研制了一台实验样机，并验证了该理论的正确性。
关键词：变换器；零电压零电流开关；电流纹波；移相全桥

1 引言
为了在高频电路中使用IGBT，提出了ZVZCS全桥PWM变换器。ZVZCS由超前臂和滞后臂构成，超前臂实现了ZVS，滞后臂实现了ZCS。针对电流纹波会带来很多弊端的问题，通过在变压器次级引入一个辅助电路，不但满足了ZVZCS的初始条件，还减小了电流纹波。为了能更好地实现zCS，采用在滞后臂串联二极管的方法。优化电路的优点是没有有损元件和外部电源，可减小能量的消耗并保证系统总的工作效率。此外，没有大的能量流通且无二次寄生响应生成。

2 工作原理与设计
图1示出优化电路的拓扑。该拓扑在传统变换器的基础上加了一个辅助电路并在滞后臂串联二极管来实现其功能。假设除特别指定元件，所有电阻、电感、电容和变压器均为理想元件。

该电路在半个周期内共有8个工作状态，其工作原理简述如下：
[t0～t1]阶段 t0之前，VS2零电流开通。t0时刻，VS1和VS2导通，箝位电容Cc上的电压uCc由于漏感的谐振从零开始增大。由耦合电感、Cc和二极管VDb组成的回路可保持对Cc持续充电，所以使得uCc=2uLo。加大uCc能更有效地加快初级电流ip的下降速度，并起到箝位电压的作用。Cr使得次级整流二极管上漏感和节点电容没有产生寄生响应。初级电压uab、电流ip，次级电压uCc、电流iC分别为：

[t1～t2]阶段 uCc保持是Lo两端电压的两倍。uab和ip保持不变，uab(t)=Uin，ip(t)=nIo。
[t2～t3]阶段 VS1关断，ip对C1充电，C3放电。uab减小，uCc按照n2／n1比率下降。uab线性下降，uab(t)=Uin-nIot／(C1+C3)，ip(t)=nIo。
[t3～t4]阶段 当整流电压等于uCc时，VDc导通，Cc维持整流电压，整流侧电压减小速度比初级慢。LIK储存的能量保持C1充电，C3放电(设Cc>>C1，C3)，故uab仍按照原始速率减小。该模式结束时，ip和uCc定义为iα，uα。
[t4～t5]阶段 C3放电结束，二极管VD3导通，然后VS3开通，此时实现了ZVS。次级漏感电流和ip迅速下降，Cc提供能量。ip降至零时，整流侧电压定义为μβ。

[t5～t6]阶段 ip被重置，整个初级侧电路没有电流流过。Cc提供整个电路的电流，因此整流电压下降得很快。uCc(t)=-Iot／Cc+uβ。
[t6～t7]阶段 VD2阻断了ip反向环流，使得ip保持为零，这为滞后臂实现ZCS提供了十分必要的先决条件。Cc放电完毕，整流二极管全部导通，Lo提供整个回路的能量。该周期结束，VS2关断，完成ZCS过程。
[t7～t8]阶段 经VS2，VS4死区时间后，VS4实现ZCS，这是因为漏感限制了ip上升速度，令其不能突变。ip线性增加，整流电压为零。这是上半个工作周期，后半个工作周期与之相似。