一种新型移相全桥变换器的研究

揭贵生，季圣贤，高山，王恒利，王瑞田

（海军工程大学舰船综合电力技术国防科技重点实验室，湖北武汉 430033）

由于舰船环境对装置的体积、重量提出了更高的要求，这就需要设计一种性能较优的逆变电源以满足舰船电力系统的要求。基于高频链隔离的大功率直流电源以其在直流侧进行高频隔离实现了隔离变压器的大幅减重降尺寸及减震降噪、适应直流输入电压范围宽且可以更小的直流支撑电容量，即满足系统直流输入失电而短时保持交流输出的需求，已成为了舰船综合电力系统变配电逆变电源的一种有竞争力的前级变换方案。在早期的大功率电源中，常用的硬开关全桥拓扑由于其难以降低开关器件的损耗而无法获得较高的转换效率和更高的功率密度。而高频链隔离移相全桥拓扑利用变压器的漏感和开关器件的结电容构成谐振电路，实现对开关管的软开关控制，从而提升整体转换效率和功率密度。然而，如何使用尽量少的辅助元件（电路）来实现一种较优的软开关设计是当前国内外学者努力研究的方向。

文献[1-3]中的传统移相全桥电路，较难实现滞后桥臂的软开关，并且该电路存在占空比丢失的情况。文献[4]中通过增加饱和电感阻止反向电流，允许滞后桥臂开关用零电流开关换流，但导致副边占空比丢失严重。文献[5-6]中通过在滞后桥臂上串联两个阻断二极管在进行换流时进行截断，虽然较为容易实现滞后桥臂软开通，但会在关断瞬间出现电压尖峰，致使器件电压应力增加。文献[7]中提出增加续流支路，在增加大变换器体积的同时，也增加了电路的复杂度，并且电路损耗增加。在现有的基础上，文中提出了一种在续流支路上增加隔直电容的新型拓扑，使用较少的辅助元件不仅实现了移相全桥电路的软开关控制，也提升了转换效率。最后通过在PSPice软件中进行仿真，验证其可行性。

1 新型移相全桥拓扑

图1为文中提出的新型拓扑。与传统拓扑相比，滞后桥臂上开关器件的续流支路先通过隔直电容再反并联二极管。隔直电容在开关器件关断时，使谐振电感上的能量快速转移到隔直电容上，让原边电流迅速下降，从而更容易实现零电流开通。该拓扑图中，Vin为输入电源；Cin为支撑电容；Q1～ Q4为移相全桥对应的四个IGBT 开关管；D1～D4为四个开关管的反向二极管；C1～C4为开关管结电容；C5为续流支路上隔直电容；T 为高频变压器（Lr为等效漏感）；Dr1～Dr4为整流桥对应的四个二极管；Lf，Cf分别为输出LC 滤波电感和电容。

图1 新型变换器拓扑Fig.1 New converter topology

2 工况分析

文中提出的新型拓扑四个开关管的调制信号和变压器原边电压、电流波形如图2所示。

图2 驱动信号和变压器原边电压、电流波形Fig.2 Drive signal and transformer primary voltage and current waveform

在对文中提出的拓扑的工况进行分析前，先提出以下三点假设：1）所有的器件均为理想器件；2）定义IGBT 的CE 极寄生结电容C1=C3=Clead，C2=C4=Clag；3）输出滤波电感Lf≥Lr/K2，其中Lr，K分别为变压器漏感和原副边匝比。

通过对该拓扑各个工况分析，在1 个开关周期内，该拓扑有14种工况。由于移相全桥电路工作具有对称性，文中只对前7 个工况进行详细分析（各工况具体情况见图3）。

图3 前半个周期中工况情况Fig.3 Working conditions in the first half of the cycle

工况0（t0）：在t0时刻开关管Q1与Q4导通，变压器原边由开关管Q1、原边绕组和开关管Q4构成回路。副边电流从绕组正端流经整流电路、LC滤波器及负载回到绕组负端。

工况1（t0—t1）：在t0时刻开关管Q1关断，但由于有电感Lr的存在使得电流Ip不会发生突变，此时电流转移到寄生结电容C1，C3上。

当结电容C3两端的电压下降到零时，反向二极管D3自然导通，从而工况1 结束。工况1 持续时间为

为能够实现超前桥臂开关管的软开通，调制波的死区td(lead)需要大于t01，即满足下式：

工况2（t1—t2）：在t1时刻二极管D3导通后，此时电流通过反并联二极管D3、开关管Q4、变压器原边绕组。

在工况2 内，原边电流都由反并联二极管D3流通且两端电压为零，实现超前桥臂开关管的软开通。

工况3（t2—t3）：在t2时刻，开关管Q3导通，此时开关管Q3为软开通，但电流仍然从反并联二极管D3流过。

工况4（t3—t4）：在t3时刻，原边电流下降到I2，关断Q4。此时原边电流小于折算后的副边电流，副边绕组短接电压为零，原边谐振电感和结电容工作在谐振状态。当结电容C4两端电压与输入电压相同时，D7零电压导通，工况4 结束，持续时间为

其中

工况5（t4—t5）：t4时刻，原边电流从开关管结电容和续流支路上流过，此时给开通信号实现软开通。

由于在工况5内原边电流仍然小于折算的副边电流，因此原边绕组的电压为0 V。此时，输入电压直接加在谐振电感Lr、隔直电容C5和结电容C2上，处于谐振状态。谐振期间峰值电压和持续时间分别为

式中：Vmax为开关器件的最大耐压值。

若能够实现Q2的零电流开通，Q2与Q4之间的开通信号的死区须大于t34且小于t34+tLC，即

工况6（t5—t6）：在t5时刻，变压器原边电流换相变为负值，此时副边整流二极管依然全部导通。至t6时刻，原边电流达到副边电流的K倍时，副边整流桥中的Dr2和Dr3关断，电流从二极管Dr1和Dr4流过，该工况结束。

工况7（t6—t7）：t6时刻整流二极管Dr2和Dr3关断。到t7时刻，开关管Q3关断，工况7 结束，变换器开始后半个周期工作，其工况与前7 个工况相似，此处就不再重复。

通过分析可以知道文中提出的电路拓扑可以实现软开关控制，使用的元器件与经典电路拓扑相比，仅增加了隔直电容，达到了使用较少元器件实现较优效果的目的。

3 参数设计

按照设计需求，电路主要元件选取为：输入电压Vin= 320 V，输出电压Vo= 710 V，输出电流Io=60 A。变压器原副边匝数比K= 2.6。

滤波电感Lf设计：副边绕组电压幅值VS=KVin，原边导通时间TS＝80 μs，副边导通时间Ton= (Vo/VS)TS/2，纹波系数Δ=20%。滤波电感取值应满足：

从图4中可以看到，隔直电容越大，开关器件最大电压越小，滞后桥臂软开关范围越小。综合考虑开关器件的耐压值及软开关范围，取C5=0.6 μF。

图4 隔直电容对开关器件的电压峰值及死区范围的影响Fig.4 Influence of DC blocking capacitor on voltage peak and dead zone of switching devices

驱动信号死区tdead设计：根据式（2）、式（6）可以计算得到：

根据式（8）计算结果及开关器件最小死区时间，取驱动信号死区tdead= 1 μs。

4 仿真分析

PSPice 是一个多功能电路模拟实验平台，是通用电路模拟程序中非常优秀的软件。PSPice软件对电路的分析功能非常强大，有基本分析模块（PSPice A/D）和高级分析模块（PSPice AA），可以实现包括直交流分析、噪声分析、最坏情况分析、参数扫描分析、温度分析等8种分析类型。

在PSPice中搭建如图5所示仿真模型。

图5 PSPice仿真模型Fig.5 PSPice simulation model

仿真模型中各元件参数如下：直流电源Vin=320 V，变压器漏感Lr=2.5 μH，隔直电容C5=0.6 μF，开关器件Q1～ Q4型号为SIGC76T60R3，整流二极管Dr11～Dr42型号为DSEP29-12A，滤波电感Lf=200 μH，滤波电容Cf=200 μF，负载Rload=20 Ω，反向二极管D1～ D4型号为IDW100E60。其中开关器件、反向二极管均为实际使用的Infineon 器件模型，整流二极管（由于器件最大电流35 A，而实际最大电流60 A，故采用两个并联）为IXYS 器件模型。

仿真结果如图6 所示。图6a 和图6b 是变压器原边和副边的电压电流波形，由于在电流换向时谐振过程中对隔直电容的充放电，会出现短时间内的原副边电压的波动；图6c 和图6d 是超前桥臂上开关管的驱动信号和超前滞后桥臂上开关管的驱动信号，此时驱动信号参数为：开关频率fs= 10 kHz，死区时间tdead= 1 μs，移相角α=36°；图6e 和图6f 中可以看出超前桥臂和滞后桥臂上开关管开通时两端电压和流经的电流为零，实现了软开通。

图6 PSPice仿真波形图Fig.6 PSPice simulation waveforms

当取额定负载时，文中电路拓扑和经典移相电路拓扑在不同移相角下的转换效率如图7所示。

图7 转换效率对比图Fig.7 Comparison chart of conversion efficiency

从图7中可以看到文中转换器电路拓扑比经典拓扑转换效率更高，达到了优化的效果。

当取额定负载、移相角为36°时，文中电路拓扑在不同的隔直电容取值下的转换效率如图8所示。

图8 隔直电容取值对转换效率的影响Fig.8 Effect of DC blocking capacitor value on conversion efficiency

增加隔直电容后，在滞后桥臂的换流过程中振荡过程始终存在，而隔直电容的取值只对开关器件的电压峰值及死区范围有影响（见图4），对转换效率几乎没有影响（见图8）。

5 结论

文中在分析了当前常用移相全桥拓扑存在的不足后，提出了一种基于当前研究现状的改进拓扑，使用较少的元件实现了开关管的软开关控制。它通过在滞后桥臂增加续流支路及隔直电容使得在换流时出现振荡过程，放宽了滞后桥臂零电流开通的条件，从而提升了转换效率。最后，通过基于实际电路参数的PSPice 仿真进行了验证，具有一定的实用价值。