一种辅助电流可控的移相全桥零电压开关PWM变换器

张 欣 陈 武 阮新波

（南京航空航天大学航空电源航空科技重点实验室 南京 210016）

1 引言

目前很多行业标准（如“能源之星”标准）都从节能的角度对变换器效率提出了严格的要求，希望变换器在整个负载范围内，尤其是在轻载时仍可以高效工作[1]。移相全桥变换器利用变压器的漏感，外加的谐振电感和开关管的结电容实现了零电压开关（Zero Voltage Switching，ZVS），广泛应用于中大功率场合[2-6]。由于在轻载时，变压器漏感和谐振电感的能量不足以实现滞后桥臂的ZVS，此时变换器效率较低，且容易产生EMI等问题。

为了在轻载时实现滞后桥臂的ZVS，可以利用励磁电感电流[7]或加入辅助电路，利用辅助电感电流来帮助滞后桥臂实现ZVS[8-9]。文献[10-11]在全桥变换器中增加两个磁性元件，不但实现了开关管的ZVS，还可以大大减小辅助电路的额外损耗，但是电路结构较为复杂。文献[12]中的辅助网络由变压器和电感构成，该变换器利用存储在辅助电路中的能量来实现滞后桥臂开关管的ZVS，并且辅助网络的电流与变换器的占空比大小成反比，在一定程度上减小了辅助电路的导通损耗，但是当变换器的占空比不变时，辅助电路的导通损耗无法减少。

上述各种方法在不同程度上实现了滞后桥臂的ZVS，但是它们存在一个共同的问题，即实现滞后桥臂ZVS的辅助能量基本不变且和负载电流无关。重载时，谐振电感中储存的能量足以实现滞后桥臂的ZVS，此时辅助能量的存在增加了额外的损耗，从而降低了重载情况下的效率。

本文提出一种辅助电流可控的移相全桥 ZVS变换器，在传统全桥变换器的基础上加入了由辅助电感和辅助开关管构成的辅助网络，该有源辅助网络电感的能量根据负载的变化而变化，从而保证：①滞后桥臂开关管在全负载范围内实现ZVS；②在全负载范围内辅助网络的损耗最小。因此该电路不但在全负载范围内实现了ZVS，还可以在很宽的负载范围内实现高的变换效率。

本文首先详细分析该变换器的工作原理，然后讨论具体参数的设计和选取原则，并进行效率对比，最后通过一台 1kW/54V的原理样机验证理论分析的正确性。

2 工作原理

图1为所提出的采用有源辅助网络的移相全桥ZVS PWM变换器的拓扑结构，它由传统的全桥电路和有源辅助网络组成，全桥电路由四个开关管Q1～Q4，变压器Tr，谐振电感Lr，二次侧整流二极管VDR1、VDR2，输出滤波电感Lf和输出滤波电容Cf组成；有源辅助电路由辅助电感 La、开关管 Q5和Q6组成。

图1 采用新型有源辅助电路的移相全桥ZVS变换器Fig.1 Novel phased-shifted full-bridge converter with active auxiliary circuit

该电路和文献[8]提出的电路结构是一样的，但两者的工作机理完全不同：①从控制上讲，文献[8]的辅助电感电流是一个与负载电流无关的量，而本文的辅助电感电流是随着负载电流的变化而变化的，目的是不仅实现滞后开关管的ZVS，还减少辅助电路的损耗。②从辅助开关管的角度讲，文献[8]的两只辅助开关管在实际应用时必须串入二极管，同时反并二极管，且不能实现辅助开关管的ZVS，而本文中的辅助开关管不必加入二极管且可以实现ZVS。

图2为变换器的主要工作波形。

图2 变换器的主要工作波形Fig.2 Key waveforms of the proposed ZVS FB converter

和传统的全桥电路相比，本文提出的电路主要特点是增加了一个辅助网络：其中辅助开关管 Q5和 Q6相对于滞后管 Q2和 Q4采用移相控制，即 Q5和Q6分别滞后于Q4和Q2。辅助电路通过检测负载电流的大小控制辅助桥臂和滞后桥臂之间的移相角，改变辅助电感两端的占空比，从而得到合理的辅助电感电流：该辅助电感电流不但帮助滞后桥臂开关管实现ZVS，还可以将辅助网络的损耗维持在一个最小值，使电路保证高的变换效率。

本节主要分析滞后桥臂实现零电压开关时的工作情况，在分析工作原理之前，作如下假设：①所有开关管、二极管、电感、电容和变压器为理想器件。②Lf≫Lr/K2（K为变压器一、二次侧匝比），输出等效为恒流源 Io。③C1=C2=C3=C4=Cr，C5=C6=Ca。

如图2中的[t2～t3]时段所示，Q2开通之前，辅助电感电流ia和变压器一次电流ip共同给Q4结电容C4充电，给Q2结电容C2放电，此时辅助电感电流可以近似地看作为一个恒流源 Ia，对应的具体电路如图3所示。

图3 模态1工作电路图Fig.3 Circuit of mode1

由图3可以得出此时辅助电感电流ia、变压器一次电流ip和C4电容电压的表达式为

由式（2）和式（3）可以看出，ip1的值随时间的增加而减小，vC4的值随着时间的增加而增加，当vC4的电压上升到Vin时，可以零电压开通Q2。

还可能出现另一种情况，当变压器的一次电流ip1减小到负载折算电流-Io/K时，vC4的电压仍未上升到Vin，那么变换器将进入另一个开关模态，如图4所示，此时的 ip1为折算到一次侧的负载电流值-Io/K，等效于一个恒流源和辅助电感电流ia共同作用，给电容C2和C4充放电。

图3和图4所示两个模态的分界时间如图5所示，定义该时刻为2t′，可由下式表示。

根据式（3）可以求出2t′时刻 C4上的电压值，用 VC4_1(2t′)表示

图4 模态2工作电路图Fig.4 Circuit of mode 2

图5 模态1和模态2的分界Fig.5 Dividing of mode1 and mode2

结合图 4和式（5）可得该模态下 ia、ip和 vC4的表达式为

滞后管 Q2实现 ZVS的条件为在 Q2开通之前Q4结电容的电压上升到 Vin。由式（3）和式（8）可知，无论是何种工作状态，Q4结电容电压只和Io和 Ia有关，因此变换器 Q2实现 ZVS的能量将由Ia和Io共同决定。由此可见，根据 Io合理地控制 Ia的大小，不仅可以实现滞后桥臂的ZVS，还可以将辅助电流控制在一个最小值，最大程度地减小辅助网络带来的损耗，从而保证变换器始终高效工作。下面将会详细分析Io和Ia间的具体关系。

3 辅助网络设计

辅助网络的控制思路为：根据负载电流控制辅助电感电流的大小，实现滞后桥臂开关管的ZVS。因此设计辅助电路的思路为：首先确定辅助电感电流和负载电流之间的关系，再选择辅助开关管，最后确定辅助电感值的大小。

3.1 辅助电感电流和负载电流关系

首先，联系辅助电感电流和负载电流之间关系的桥梁是：两者共同作用使得滞后桥臂的开关管在全负载范围内实现ZVS。

根据上一节工作原理的分析可知，电路有两种工作状态：

（1）当ip减小到-Io/K时，Q4结电容电压仍未上升到Vin，则电路工作时先后经历了图3和图4所示的两种开关模态，定义为工作状态I。此时Q4结电容上的电压如式（8）所示，从而可得该工作状态下，滞后桥臂开关管实现ZVS的条件为

式（9）即为该工作状态下Ia和Io之间的关系。因为该关系式是非线性的，在实际电路中难以实现，考虑到VC4_1(2t′)的电压值在实际中很小，化简式（9）得

式中 tdead——滞后桥臂开关管死区时间。

式（10）为式（9）的充分条件，且为一个线性表达式，有利于电路的实现。因此选择式（10）为该工作状态下的Ia和Io之间的关系表达式。

（2）当Q4结电容电压上升到Vin时，ip的值还未减小到-Io/K，则电路始终工作在图3所示的开关模态，定义为工作状态II。此时Q4结电容上的电压如式（3）所示，从而可得该工作状态下，滞后桥臂开关管实现ZVS的条件为

式（11）即为该工作状态下Ia和Io之间的关系。和式（9）一样，该关系式呈非线性，需要对其进行化简

式（12）为式（11）的充分条件，且为一个线性表达式，有利于电路的实现。因此选择式（12）为该工作状态下的Ia和Io之间的关系表达式。

结合式（10）和式（12），图 6给出了 Ia和 Io在全负载范围内的关系曲线。

图6 辅助电感电流和负载电流的关系曲线Fig.6 Curves of Ia and Io

由图6可知辅助电感电流曲线随着负载电流的变化可以分为I、II和III三个部分，它们的解释分别如下：①当Io∈[0，Io1]时，电路处于工作状态I，该区域内的辅助电感电流关系满足式（10），与负载电流对应的关系曲线如图6中的曲线1所示。②当Io∈[Io1，Io2]时，电路处于工作状态II，该区域内的辅助电感电流关系满足式（12），与负载电流对应的关系曲线如图6中的曲线2所示。③当Io∈[Io2，Iomax]时，滞后桥臂的开关管依靠谐振电感中储存的能量已经可以实现ZVS，不需要额外的辅助能量，此刻辅助网络不工作，辅助电感电流值为 0。图 6中的Io1为工作状态I和工作状态II的分界点，如式（13）所示。

Io2为不加辅助网络时，滞后桥臂开关管自然实现ZVS所需的最小负载电流值如式（14）所示。

综上所述，可得Ia和Io的关系式为

3.2 辅助开关管的确定

确定了 Ia和 Io之间的关系后，结合图6，可以求出流过辅助开关管的最大电流为

辅助开关管的电压应力和主电路开关管一致，根据电流和电压应力可以选择合适的辅助开关管。在实际电路中Ia的值不大，因此辅助开关管可以选用电流应力小的开关管。

3.3 辅助电感的确定

由图1所示的电路可知，开关管Q2、Q4、Q5、Q6构成辅助全桥网络，通过控制该全桥占空比来调节 B、C两点之间的电压，从而改变辅助电感电流的大小，并且 B、C两点之间的电压和帮助滞后桥臂开关管实现ZVS的辅助电感电流大小成正比，对应的工作波形如图7所示。

图7 辅助电路主要工作波形Fig.7 Key waveforms of the auxiliary circuit

由图7可得辅助电感的表达式为

式中，Da为辅助电感两端电压的占空比，当辅助电感电流为式（16）所示的最大值时，Da最大，对应满占空比工作，从而得出辅助电感的值为

4 设计实例

结合上述分析，本节在一个传统全桥变换器的基础上设计了它的辅助电路，并给出具体的设计实例。性能指标为：Vin=270（1±10%）V，Vo=54V，Io=20A；fs=100kHz。

4.1 没加辅助网络全桥变换器参数

没加辅助网络全桥变换器参数设计时主要考虑以下两方面的因素：①滞后桥臂开关管在半载以上实现 ZVS。②输出滤波电感电流脉动量∆iLf为最大输出电流的20%。

可得没加辅助电路的全桥变换器参数为：变压器一、二次电压比 K=15/4，谐振电感 Lr=7µH，滤波电感 Lf=65µH，滤波电容 Cf=2000µF，主功率开关管 IRF460（结电容 480pF），输出整流二极管DSEI30-06。

4.2 辅助网络设计

在主电路参数基础上，进行辅助电路设计。

（1）辅助电感电流的确定。将 Vin=270V，Lr=7µH，Cr=480pF（IRF460 结电容值），K=15/4，tdead=300ns代入式（13）和式（14）可得Io1=3.3A、Io2=10A，结合式（15）可以得到该电路辅助电感电流和负载电流的具体关系为

图8给出了Ia和Io的具体关系曲线。需要说明的是在实际工作中当负载电流大于10A（半载）时，辅助电感电流并不为零，而是一个接近于零的极小值，该电流保证辅助开关管实现ZVS。

图8 辅助电感电流和负载电流的关系曲线Fig.8 Curve of the auxiliary current with load current

（2）辅助开关管的确定。将相关参数代入式（16）可得该电路辅助电感电流的最大值为1.8A，又因为Vin=270V，所以辅助开关管选用IXYS公司的 IXKP24N60C5（7A/600V）。

（3）辅助电感选取。已知辅助电感电流最大值为 1.8A，又因为电路的开关频率为 100kHz，结合式（18）可得辅助电感的值为La=337µH，实际绕制电感值取330µH。

5 实验验证

根据上述的设计实例，试制了一台1kW的原理样机，其主要实验参数和前文一致。

图9a～图9c分别给出了轻载（1A）、半载（10A）和满载（20A）时滞后管的驱动电压 vGS、漏-源极电压 vDS及漏极电流 iD波形。从图中可以看出，变换器滞后桥臂开关管在全负载范围内实现了ZVS。

图9 不同负载时滞后管vGS、vDS和iD波形Fig.9 Lagging switch’s waveforms of vGS、vDS and iD

图 10a～图 10c分别给出了轻载（1A）、半载（10A）和满载（20A）时辅助开关管的驱动电压vGS、漏-源极电压vDS及漏极电流iD波形。从图中可以看出，变换器辅助开关管在全负载范围内也实现了 ZVS。

图10 不同负载时辅助管vGS、vDS和iD波形Fig.10 Auxiliary switch’s waveforms of vGS、vDS and iD

图11a～图11c分别给出了负载电流为1A、10A和 20A时的一次电压 vAB、一次电流 ip、辅助电感电压vBC和辅助电感电流iLa的波形，可以看出在全负载范围内变换器正常工作，辅助电感电流和负载电流的关系和图8所示的设计曲线相一致。

图9～图11的实验波形证明了电路原理的正确性，并证明了滞后桥臂和辅助桥臂在全负载范围内都可以实现ZVS。

图12给出了全桥变换器加辅助网络前后的效率对比曲线，图12a是输入电压为额定电压270V，不同输出电流时的效率对比曲线。图12b中分别为轻载（1A）和满载（20A）在不同输入电压下的效率对比曲线。

图11 不同负载时 vAB、ip、vBC和 iLa波形Fig.11 Waveforms of vAB、ip、vBC and iLa

可以看出：①本文提出的变换器在半载之前的效率明显高于没加辅助网络的全桥变换器，这是因为没加辅助电路的全桥变换器在半载之前没有实现ZVS，而加入辅助电路后的变换器实现了 ZVS；②在半载后，本文提出的变换电路效率略低于没加辅助电路的全桥变换电路，这是因为，没加辅助电路的全桥变换器在半载后已经可以实现ZVS。此时辅助电感中还流过一个很小的辅助电流帮助辅助开关管实现ZVS，从而增加了一定的导通损耗，但此时的辅助电感电流值很低（如图11c所示），导通损耗很小，对效率的影响很小（＜0.1%）。

图12 整机变换效率Fig.12 Conversion efficiency

根据上述的实验结果和分析，可知本文提出的变换器不但在全范围内实现了ZVS，而且效率明显优于没加辅助电路的全桥变换器。这是因为辅助电感电流受负载电流控制，始终保证在实现ZVS的基础上辅助电路额外损耗最小。

6 结论

本文提出了一种可在全负载范围内实现 ZVS的辅助电流可控的移相全桥变换器，详细地分析了该变换器的工作原理、参数设计，并给出了设计实例，通过一台1kW的实验样机验证了理论分析的正确性。通过和没加辅助网络的全桥变换器对比表明，该电路的优点为：辅助电流受负载电流控制，不但在全负载范围内实现了ZVS，而且效率明显优于没加辅助电路的全桥变换器，因此十分适合于中大功率的应用场合。

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