移相桥滞后桥臂实现零点压关断困难的解决方法综述

1．引言

　　全桥变换器（Full-Bridge converter）通常应用于功率大于400W的开关电源中，特别是在通信电源这种大功率的电源中应用比较广泛。但是硬开关条件下的全桥变换器会引来很大的开关损耗，不利于开关管的频率和电源转换效率的提高。针对硬开关大损耗问题，有人提出了移相控制方法。通过移相控制可以实现开关管的零电压开通和关断，从而可以大大改善开关管的开通关断条件，这样可以提高开关的频率，减少电源的体积，提高电源的转换效率。移相桥全桥变换器如图1所示。要实现开关管的零点压开通，必须要有足够的能量来抽走将要开通的开关管的结电容（或外部附加电容）上的电荷和给同一桥臂关断的开关管的结电容（或外部附加电容）充电；同时，考虑到变压器的原边绕组电容，还要有一部分能量用来抽走变压器原边绕组寄生电容上的电荷；

　　由于超前桥臂在开关过程中有输出电流的参与，因此很容易实现ZVS。在后桥臂在开关过程中，变压器原边是短路的，此时整个变换器就被分成两部分，一部分是原边电流逐渐改变流通方向，其流通路径由逆变桥提供；另一部分是负载电流由整流桥提供续流回路。负载侧与变压器原边没有关系。此时用来实现ZVS的能量只是谐振电感（漏感和附加谐振电感）中的能量。而谐振电感很小，因此滞后桥臂开关管实现零电压开通比较困难。

图1 传统零电压开关的移相全桥电路


2．非拓扑结构性改变的解决方法
　　
　　由上面分析可知，滞后桥臂的开关动作由于产生在回流过程向能量传送过程的转化阶段，输出电感电流不能反馈到原边，滞后桥臂的开关管并联电容只能依靠变压器原边的谐振电感进行充放电，由于谐振电感中存储的能量很小，使得滞后桥臂开关管实现零电压开通变得很难,特别是在低负载的时候这种现象更为明显。要实现滞后桥臂的ZVS，必须，我们从公式中可以看出，要满足它，就必须增加谐振电感Lr和增加电流I2。这样就有两种非拓扑结构性改变的方法[1]来解决滞后桥臂开关管零电压开通难的问题：增加励磁电流和增加谐振电感，但是前者会增加变压器的损耗，而增加谐振电感又将引起副边占空比的丢失，为了更容易实现滞后桥臂的开关管零电压开通，又不会增加开通损耗，降低占空比的损失，近来一些新的拓扑结构被提出。


3．滞后桥臂并联谐振网络的零电压开关的移相全桥

　　为了克服滞后桥臂实现零电压开关难的不足，同时又不会引起占空比的丢失和开通损耗的增大，[2]提出了一种在滞后桥臂并联一个谐振电感和两个谐振开关。拓扑结构图如图2所示。开关的控制策略如图3所示。本拓扑在半个周期内有六个工作模态：

　　模态一：S1，S2同时导通，滤波电感电流线性增加。

　　模态二：S1关断，原边电流抽取S3并联电容上的电荷，同时对S1并联电容充电，在充放电完毕，D3导通。由于输出电电感很大，因此流过滤波电感上的电流可以看作为一个恒流源。

　　模态三：在D3导通后，就可以零电压开通S3。此时，源边电压变为零，副边电压也同时变为零，四个整流二极管同时导通，以维持输出滤波电感电流。

　　模态四：关断S2，利用存储在漏感上的能量抽取C4上的电荷，并给C2充电，当漏感很小，存储在漏感中的能量不足以抽取C4上的电荷，并给C2充电时，D4就不会导通，那么S4就不能零电压开通。为了使S4实现零电压开通，在关断S2前先开通Sa来建立谐振电流。

　　模态五：当谐振电流建立到足够大时，同时关断S2，Sa,这样有谐振电感和漏感上的能量一同提供充放电所需的能量，使得S4实现零电压开通。

　　模态六：当D4导通，就可以在零电压条件下开通S4，输出电流反馈到原边流过S3，S4。在谐振电感上的能量经过S4，Db回馈到电源。

　　后半个周期工作状态跟前半个周期一样。

　　本电路的优点是：（1）滞后桥臂能够成功实现零电压开通关断。（2）开关的开通损耗比较低。（3）占空臂损失比较小。本电路中，谐振电感的设计比较重要，如果谐振电感选择的过大，那么就容易引起不必要的开通损耗，如果过小，那么又不能够使滞后桥臂实现零电压关断。谐振开关的开通时间也要合理选择，才能在实现滞后桥臂的零电压关断的条件下又不引起过多损耗。

图 2 滞后桥臂并联谐振网络的零电压开关的移相全桥 图 3滞后桥臂并联谐振网络变换器的控制策略

　　上面电路的主要缺点是在负载比较小的时候，实现超前桥臂的零电压关断比较困难，电路中增加两个谐振开关，电路成本增大，控制电路比较复杂。而且谐振电路的开关是硬开关关断，将会产生额外损耗。还有个缺点是由于两个谐振电路都是与同一个桥臂两个开关管并联，使得电路阻尼震荡加剧。


4．一种新的并联谐振网络的零电压开关的移相全桥

图 4　一种新的并联谐振网络的零电压开关的移相全桥

　　[3]中也提出了并联谐振网络的方法，如图4所示。该方法不像前面那样与滞后桥臂两管并联，而是并联在两个桥臂的下管上，这样需调整一下控制方法，其控制策略如图5所示：S2,S4的开通时间长为DTsw/2,而S1,S3的开通时间为（1-D）Tsw/2，占空比的调节不需要移相，只要调整S2,S4的驱动信号的宽度就可以实现。由于S1,S3的开通处于能量传送过程，其并联电容上的电荷能够在他们开通前由原边漏感电流和副边耦合过来的电流抽掉，他们能够实现零电压开通，但S2,S4处于换流阶段，存储在漏感上的电流不足以使S4或S2的并联电容的电压降到零，这样需要借助谐振电路。在S2（S4）导通前，打开谐振开关Sa1（Sa2），在谐振电感上建立谐振电流，当S1（S3）关断时，就可以参与桥臂并联电容的冲放电。这样电路中的四个开关管可以全部实现零电压开通。在该电路中，谐振支路与主开关管并联，可以实现任意较宽负载的零电压开关。由于可以减少漏感，从而减少了占空比的损失。有源辅助电路种类的增加，使得选择最合适的电路使设计达到要求成为可能。

图 5 新的并联谐振网络的零电压开关的移相全桥控制策略


5．一种全新的PWM-ZVS-FB变换器

　　上面电路都有一个共同的缺点，在轻载时实现零电压开关比较困难，并且增加了两个谐振开关，使得控制电路变得非常复杂，[4]中提出了一种全新的PWM-ZVS-FB变换器。左桥臂是滞后桥臂，右桥臂是超前桥臂，由左桥臂和左边两个电容（两个电容很大，可以看成是两个电压源）、变压器1构成一个半桥拓扑结构，左右桥臂和变压器2构成一个全桥拓扑结构，左桥臂上下的导通时间为半个周期（死区时间忽略不计）。通过调节右桥臂与左桥臂开通和关断信号的相位，从而实现电压的调节。其滞后桥臂零电压开关主要通过变压器1和变压器2的励磁电流来实现。为减少丢失的占空比，将两个变压器的漏感取得比较小，变压器1上的励磁电流波形如图8所示，因此变压器1的励磁电流的增大不会引起占空臂的丢失，而变压器2的励磁电流波形如图9所示，它的增大会引起开关得到通损耗增加。为了降低占孔比损失，避免引起过多的开通损耗，将变压器1的励磁电流取得比较大，将变压器2的励磁电流和两变压器的漏感取得比较小。同时由于输出电压等于变压器1和变压器2 的副边电压值和，当两个变压器副边电压和变为零时，开关上的电压已抽走了一部分，在原边被副变钳位后，因此上的电压是，而是低于，所以要实现滞后桥臂开关管的零电压开通更加容易。由理想波形图图7分析可看出，由于两个变压器的同时传送能量，该电路的输出电压的纹波也很小，这样输出滤波电感可以设计得很小，减少设计成本和变换器的体积。

　　该拓扑结构在没有增加任何开关管的情况下，成功实现零电压开关，而且由于变压器1的存在，使得零电压开关可以在轻载的时候实现。同时又使输出的性能得到改善。


6．结论

　　传统移相桥通常用于大功率的开关电源中，其滞后桥臂开关管难以实现零电压开通制约着它的应用，为更好的改善滞后桥臂的开通条件，真正实现零电压开通，许多技术和拓扑被提出。本文通过对传统的移相PWM-ZVS-FB变换器的特点及问题进行分析，并对最近出现的实现全桥零电压开关的解决方法进行详细的分析，并比较了它们的优缺点。这几个方法和拓扑都大大改善了滞后桥臂的开通条件，特别是最后的那种方法不但实现了零电压开关，还改善了输出滤波条件，值得我们进行更深入的研究。


参考文献：
　　
[1] 阮新波，严仰光，直流开关电源的软开关技术 科学出版社 2000年 

[2] Cho, J.G.; Sabate, J.A.; Lee, F.C “Novel full bridge zero-voltage-transition PWM DC-DC converter for high power applications”　APEC \'94. Conference Proceedings 1994., Ninth Annual　IEEE, 13-17 Feb 1994 Page(s): 143 -149 vol.1

[3] Moschopoulos, G.; Jain, P.A “PWM full-bridge converter with load independent soft-switching capability” APEC 2000. Fifteenth Annual IEEE , Volume: 1 , 2000 Page(s): 79 -85 vol.1

[4] Ayyanar, R.; Mohan, N.“Power Electronics Novel soft-switching DC-DC converter with full ZVS-range and reduced filter requirement. I. Regulated-output applications” IEEE Transactions on , Volume: 16 Issue: 2 , Mar 2001 Page(s): 184 -192