摘  要：在介绍分析多种全桥PWM-ZVSZCS变换器的基础上提出了一种新的电路拓朴结构，具有结构简单、控制容易、便于实现和次级尖峰电压低等优点。

关键词：全桥式变换器  零电压零电流开关  次级钳位

1  引  言

全桥变换器电路拓扑是目前国内外DC-DC变换器中最常用的电路拓扑形式之一，在中大功率应用场合更是首选拓扑。这主要是考虑它具有功率开关管器件电压、电流额定值较小，功率变压器利用率较高等明显优点。基本的全桥变换电路根据供电方式的不同（输入端所连接储能元件的不同）可分为电压（源）型和电流（源）两类。其中电压型DC-DC全桥变换电路是由基本的Buck变换电路演变而来，因此又称为全桥Buck变换器，在实际中得到广泛的应用。其拓扑形式如下图：

图1.1  基本全桥变换电路

近年来， IGBT得到迅速的发展和广泛应用，然而IGBT在关断时有较长的拖尾电流，使IGBT工作在较高开关频率时开关损耗较大并需要较长的死区时间，因而限制了工作频率的进一步提高。

电路中IGBT如果在关断之前少数载流子就已经复合完毕，那么IGBT将基本上不存在关断损耗。因此全桥零电压零电流开关变换器（FB-ZVSCS-PWM）比较适合IGBT。

所谓ZVSCS就是超前臂开关管实现零电压导通和关断，超前管的零电压工作过程与零电压移相全桥电路的超前管相同。滞后臂开关管实现零电流导通和关断，从而解决了基本的移相变换器中滞后臂开关管零电压开关困难的问题。滞后臂零电流是在原边电压过零期间，使原边电流复位而实现的。原边电流复位目前有以下几种方法：

(1) 利用超前臂开关管的反向雪崩击穿，使储存在变压器漏感中的能量完全消耗在超前臂的IGBT，为滞后臂提供零电流开关条件。后面提到的双极性控制方式的全桥，其滞后臂实现的零电流开关就属于此类。

(2) 在变压器原边使用隔直电容和饱和电感，在原边电压过零期间，将隔直电容上的电压作为反向阻断电压源，使原边电流复位，为滞后臂提供零电流开关的条件。

(3) 在变压器副边整流器输出端并联电容，在原边电压过零期间，将副边电容上的电压反射到原边作为反向阻断电压源，使原边电流复位，为滞后臂提供零电流开关的条件。

2  采用有限双极性控制方法的FB-ZVSCS-PWM电路

图2为采用有限双极性控制方法的FB-ZVSCS-PWM电路变换器的基本原理图。该拓扑中IGBT没有反向续流二极管，通过这种方式，全桥的一个桥臂（VT3,VT4）实现了零电压开关工作模式,另一个桥臂（VT1,VT2）实现零电流开关工作模式。

图2  采用有限双极性控制方法的FB-ZVSCS-PWM电路

该电路的控制时序如图3，同传统的移相控制相比，VT3,VT4,的导通时间是随占空比的变化而调整的。VT1,VT4同时导通，在某一时刻VT4关断，C3,C4作为Snubber电容为VT4的关断提供了零电压条件。此后，高频变压器的原边的电流对C3,C4分别进行充放电，当C4的电压充到比输入电压 高30V左右时，VT3发生反向雪崩，雪崩过程持续到 的能量全部消耗在VT3上， 衰减为零为止。 刚减到零时，C4上的电压仍高于 ，因此一个较小的电流将通过VT1回流，这恰好复合VT1中的存储电荷，从而使VT1中的拖尾电流得以真正消除，使VT1能够在零电流条件下关断。

图3 有限双极性控制触发波形

该电路无需增加任何元件，减少了IGBT的反并联二极管，实现了ZVSCS-PWM且控制方式也不复杂。

但由于采用超前管方向雪崩来消耗变压器原边电流的能量，开关管上的功耗增加，使开关管发热增加。

3  原边使用饱和电抗的FB-ZVSCS-PWM电路

图4是原边加隔直电容和饱和电感的全桥ZVSCS-PWM变换器的基本原理图。它在基本的全桥移相式ZVS-PWM变换器的基础上增加了一个饱和电感 ，并在主回路上增加了一个阻挡电容 。滞后桥臂开关管 实现零电流开通与关断，因此不再并联电容，以避免开通时电容释放能量加大开通损耗；超前桥臂仍和ZVS-PWM一样，利用开关管 上并联电容的办法实现零电压开关（ZVS）。主电路四个开关管的控制信号与全桥移相ZVS-PWM变换器的控制方案完全一致，通过移相方式控制主回路的有效占空比。阻挡电容 与饱和电感 适当配合，能使变换器滞后臂上的主开关管实现零电流开关（ZCS）。

图4 原边使用饱和电抗的FB-ZVSCS-PWM FB电路

当变换器桥臂斜对角两只组功率开关管同时导通时，输入电源的能量传送到副边， 由原边电流充电，饱和电感处于饱和状态。在超前管状态转换过程完成后原边处于续流阶段时， 恰好成为一个反向阻断电压使原边电流下降到零，当电流试图反方向变化时，饱和电感退出饱和阻止电流的变化，使电流保持零。从而实现滞后臂的零电流开关。

该电路的缺点：实际运行中饱和电感上有较大损耗，引出饱和电感磁芯的散热问题。并且变换器原边零电流开通的时刻受饱和电感限制比较严格，饱和电感的绕制工艺要求也较高。

4  变压器副边钳位的FB-ZVSCS-PWM电路

4.1 变压器副边采用有源钳位的ZVSCS-PWM FB电路

图5是变压器副边带有有源钳位开关的ZVSCS-PWM电路图。变压器原边功率开关管的控制采用移相式PWM控制。相当于在变换器副边引入一电压源在原边续流期间对原边电流复位。

当变换器桥臂斜对角两只主功率开关管同时导通时，输入电源的能量传送到副边，副边钳位电容 通过钳位开关管 的反并联二极管充电至 （ ）并保持，在超前臂完成状态转换过程后即原边续流阶段时，触发钳位开关管 ，钳位电容 上的电压反射到原边作为一个反向阻断电压源使原边电流迅速下降到零，从而实现滞后臂的零电流开关。超前臂开关管的零电压导通、关断过程与基本移相式FB-ZVS-PWM变换器完全相同。

图5  变压器副边带有有源钳位开关的ZVSCS-PWM电路

该电路很好的解决了原边使用饱和电抗的ZVSCS-PWM FB电路中的问题，但需要增加一个功率开关管，因此提高了电路成本和控制难度。另外在钳位电容充电时，副边将产生2倍于 的电压尖峰。

4.2  使用无源无损网络的副边钳位的ZVSCS-PWM FB电路

在有源钳位的ZVSCS-PWM FB电路的基础上提出的无源副边钳位的ZVSCS-PWM FB电路。去掉了副边的功率开关管，让钳位电容在输入电源的能量传送到副边时通过一条二极管通路充电，在超前臂完成状态转换过程后即原边续流阶段时从另外的二极管通路放电，从而使钳位电容上的电压反射到原边使原边电流迅速下降到零，实现滞后臂的零电流开关。在此类电路中，放电通路的二极管在电容充电时不导通，同样，充电通路的二极管在电容放电时也不导通。

以下是几种已经提出的副边无源钳位的ZVSCS-PWM FB电路：

(A)

(B)

(C)

图6 副边无源钳位的ZVSCS-PWM FB电路

1)       图6(A)所示的电路中副边钳位电容 的充电电路为变压器副边的整流输出到 再到二极管 再到 ，在原边续流阶段，由于 小于 上的电压， 分别通过 放电使原边电流迅速下降到零。该电路比副边有源钳位的ZVSCS-PWM FB电路减少了功率开关管降低了控制难度和成本。但在钳位电容充电时，副边仍然将产生2倍于 的电压尖峰。

2)       图6(B)所示的电路中副边钳位电容 的充电电路为附加绕组的整流输出，附加绕组的匝数远小于变压器副边匝数的一半，因此 上的电压不会超过 充电过程中 不会导通，同时副边不会产生电压尖峰。变换器续流阶段，当 下降到小于 上的电压时， 导通， 放电使原边电流迅速下降到零。该电路克服了，电路中电压尖峰的问题。但增加了绕组，增加了工艺难度和成本。

3)       图6(C)所示的电路中副边钳位电容 的充电电路为变压器副边的整流输出到 再到二极管 再到 ，由于 较大可以看成恒压源，因此 充电完成后其上的电压为 ，同时 的电压最高为 。变换器续流阶段，当 下降到小于 上的电压时， 导通， 放电使原边电流迅速下降到零。该电路在无需增加绕组的情况下使副边电压 的峰值下降，电路较简单实现容易。但该电路副边电压 的峰值由 和 决定，当变换器软启动时， 很小且上升很慢，此时电路副边电压 也将出现比较大的尖峰。同时在占空比较小时， 较大 较小， 的尖峰也将较大。

4)        另外，本文作者提出了一种新型次级钳位FB-ZVSCS PWM变换器，如图7。在上面介绍的FB-ZVSCS PWM变换器的基础上加以改进，无需在基本移相全桥的基础上增加功率开关管，也不需要增加饱和电抗器或增加绕组，实现滞后臂的零电流开关。降低了控制难度和工艺复杂性。同时通过一个钳位二极管的作用使副边电压钳位，降低了副边电压的尖峰。

图7  新型FB-ZVSCS PWM变换器拓扑

新型次级钳位FB-ZVSCS PWM变换器在传统电路的基础上，变压器的次级采用全波整流带中间抽头的结构，中间抽头通过一个二极管 连接一个电容 ，该电容通过另一个二极管 与变压器副边输出相连。当变换器的能量由变压器的原边转移到副边时 充电。由于二极管 的钳位作用， 的电压最大不会超过 ，在 充电过程中 的电压被钳位在 。 在能量传递阶段不会导通。当变压器原边电压下降时，副边的电压 也相应下降，当 降到小于 的电压时， 导通，使副边电压下降的速度小于原边，副边绕组的电流的下降速度也将小于原边，相当于在原边增加了一个反相的电压，使原边的电流迅速降为零，减小了环流的损耗和占空比损失，并使滞后管实现了零电流开通。该电路副边电压 的峰值为 ，在变换器软启动时 小， 也很小，不会产生很高的尖峰。克服了3)中电路软启动电压尖峰的问题。但是在占空比大， 大， 的电压尖峰也较高。因此在占空比较小时（0.6~0.7），该电路的优点最为明显。而在占空比较大时（0.8~0.9），可选用3）中提出的电路，但在软启动时要在钳位电容两边加稳压管钳位电压。

5  结  论

本文比较和分析了当今已提出的多种FB-PWM-ZVSZCS变换器的优缺点，并提出了一种新型的FB-PWM-ZVSZCS，说明了各种FB-PWM-ZVSZCS变换器适用的场合。

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