高频移相全桥软开关的实现

2022-02-18姜棋倡

科技创新与应用 2022年3期

姜棋倡

（上海电力大学电子与信息工程学院，上海 200090）

由于能够实现电气的隔离、功率密度高、易实现软开关降低功率损耗等优点，ZVS-PSFB（移相全桥）变换器被广泛应用在各种大功率开关电源场合[1]。本文在小信号模型的基础上，分析了PSFB 变换器的工作状态，推导出扰动下的小信号模型，对其分析死区时间对软开关范围和有效占空比对PSFB 变换器的影响，实现了宽范围的软开关功能。最后搭载了样机，验证了理论的正确性。

1 ZVS 移相全桥变换器的工作原理及等效小信号模型

移相控制ZVS-PWM 移相全桥变换器的电路结构如图1 所示，开关管Q1，Q2为超前桥臂开关管，Q3，Q4滞后桥臂开关管。D1～D4续流二极管，C1～C4为开关管的寄生电容或外接电容。Lr为变压器的漏感，也是变换器的谐振电感。L，C为滤波电感和滤波电容，R为输出负载。Vin和Vout分别为输入电压和负载输出电压，IL为滤波电感电流。

图1 PSFB 变换器电路结构

假设元器件都是理想的C1＝C2=Chead，C3＝C4=Cback，L<

图2 移相波形图

由于后6 个时态与前6 个模态对称，这里只对前6个运行模态分析。

开关模式1（t0～t1），原边Q1，Q4正向导通，原边电流il正向增加.

开关模式2（t1～t2），正半周钳位续流，开关管Q1实现零电压关断。

开关模式3（t2～t3），钳位二极管D2导通，开关管Q2实现零电压导通，原边电流开始下降。

开关模式4（t3～t4），Q2关断后，后桥臂开始谐振过程。

开关模式5（t4～t5），钳位二极管D3导通，开关管Q3实现零电压导通。初级电流不足以向负载供电，开始过零，并反向增长。

开关模式6（t5～t6），原边Q2，Q3反向导通，原边电流反向增加。

PSFB 的小信号模型与BUCK 变换器类似，通过文献[3]得到其小信号等效电路图如图3 所示。

图3 PSFB 小信号模型等效电路

由于变压器漏感Lr的存在，会使得副边电压出现占空比丢失的问题，使得移相调压为非线性系统。设有效占空比为Deff，移相占空比为D，丢失占空比为△D。

2 软开关对有效占空比的影响

要实现PSFB 的软开关，各开关管需要在驱动信号到之前导通，通过寄生电容或外接电容C1～C4将开关管Q1～Q4的电压降为零。当超前臂相较于滞后臂更容易实现软开关，而滞后臂实现软开关需要变压器漏感Lr储存的电量大于电容C1～C4的电量，需满足公式（2）：

Io1，Io2为超前臂和滞后臂关断时的电流值，UC为电容电压。即：

由开关Q2关断为例，开关模式4 下，后桥臂的谐振过程。此时原边电流Io和桥臂中点VAB两端的电压为：

图4 桥臂电压的导通波形

图中各时刻与图2 一致，t3为Q4关断时刻，t'3为D3的导通时刻，t4为D3的关断时刻，t5为谐振完成时刻，ton为Q3的导通时刻，其导通时间由死区Tdead决定。由图可以看出不同的Tdead会对输出电压VAB产生较大的影响。通过文献[4]可以得到有t3

PSFB 的每个开关管同时满足式（2）、（4）和（5）时，方可实现在死区时间内，完成谐振过程，实现软开关。

3 实验仿真及实验验证

实验的设计方案的参数如下：Vin=50 V，Vout=15 V，Lr=1.1e-5H，Chead=Cback=2.2e-8F，L=1e-3H，C=1.32e-3F，K=2，R=20 Ω。

在开关频率f=20 kHz 下，PSFB 移相全桥滞后臂的软开关的波形如图5 所示，在开关管的驱动脉冲上升沿到来之前，开关管上的电压已经降为零，这表明在死区谐振期间内电流已完成对管子并联电容的充电，开关管在此运行状况下实现零电压开通，而超前臂谐振时输出电流一定大于滞后臂，在此情况下，超前臂同样可以实现ZVS。图6 为不同开关频率下的软开关状态，由图可以看出，在高频状态下PSFB 变换器依然可以实现软开关。