移相控制ZVS PWM全橋變換器的直通問(wèn)題分析

　　在計算機、通信、航空航天等許多領(lǐng)域，開(kāi)關(guān)電源以其體積小、重量輕、效率高等優(yōu)點(diǎn)逐步取代了傳統的線(xiàn)性電源。移相全橋零電壓開(kāi)關(guān)PWM變換器結合了零電壓開(kāi)關(guān)準諧振技術(shù)和傳統PWM技術(shù)兩者的優(yōu)點(diǎn)，工作頻率固定，在換相過(guò)程中利用LC諧振使器件零電壓開(kāi)關(guān)，其控制簡(jiǎn)單、開(kāi)關(guān)損耗小、可靠性高，已經(jīng)普遍的應用在中大功率應用場(chǎng)合中,但這種變換器普遍存在著(zhù)橋臂直通問(wèn)題，本文分析了橋臂直通問(wèn)題產(chǎn)生的一個(gè)容易被忽略的原因，并且提出了解決方案。

　　2 移相控制ZVS PWM全橋變換器直通問(wèn)題分析

　　全橋變換器的電路結構如圖1所示，其中，D1~D4分別是開(kāi)關(guān)管VT1~VT4的內部寄生二極管，C1~C4分別是開(kāi)關(guān)管VT1~VT4的內部寄生電容或外接電容。Lr是諧振電感，它包括了變壓器的漏感。每個(gè)橋臂的兩個(gè)功率管成180°互補導通，兩個(gè)橋臂的導通角相差一個(gè)相位，即相位角，通過(guò)調節移相角的大小來(lái)調節輸出電壓。VT1和VT3分別超前于VT2和VT4一個(gè)相位，稱(chēng)VT1和VT3組成的橋臂為超前橋臂，VT2和VT4組成的橋臂為滯后橋臂。

　　圖1　移相控制ZVS PWM DC/DC全橋變換器的主電路

　　對于全橋變換器的ZVS移相控制方式超前臂的ZVS實(shí)現較為容易，滯后臂的ZVS較為困難。全橋電路在一個(gè)周期內的整個(gè)工作過(guò)程請參考文獻[1]。本文僅對實(shí)際設計時(shí)所遇到的問(wèn)題做詳細的分析。問(wèn)題產(chǎn)生的原因是超前橋臂和滯后橋臂的工作機理不同，在超前橋臂開(kāi)關(guān)管開(kāi)關(guān)的過(guò)程中，輸出濾波電感是參與能量的轉換，相當于恒流源，而滯后橋臂開(kāi)關(guān)管開(kāi)關(guān)的過(guò)程中，變壓器處于短路狀態(tài)，因此參與諧振的能量很小，導致失去零壓條件。當滯后臂的開(kāi)關(guān)管VT4關(guān)斷后，C4電壓增加，VAB=-VC4，VAB為負電壓，使DR2也導通，將變壓器付邊短接，變壓器原邊電壓為零，VAB電壓全部加在漏感和諧振電感上，使原邊電流ip減少。如果漏感和諧振電感的能量較少，就會(huì )出現C4的電壓還沒(méi)有增加到Vin，原邊電流就已減少到零，C4的電壓就會(huì )使原邊電流反方向增加，而且C4的電壓也會(huì )下降，同時(shí)C2的電壓就會(huì )開(kāi)始增加。VT2開(kāi)通時(shí)，C2的電壓不為零，VT2就不能實(shí)現零電壓開(kāi)通，而是硬開(kāi)通。當VT2開(kāi)通時(shí)，C4的電壓已經(jīng)下降為零，其體二極管D4已經(jīng)導通，C2的電壓為Vin，VT2不僅是硬開(kāi)通，而且橋臂直通。

　　圖2為變壓器中點(diǎn)電壓波形，由圖可知變壓器零電平一段有一個(gè)小凸起，沒(méi)有真正為零。這個(gè)小凸起是由于滯后臂開(kāi)關(guān)管硬開(kāi)通引起的。通過(guò)觀(guān)察滯后臂開(kāi)關(guān)管VT4的G、S和D、S波形，可清晰地觀(guān)察到上述所遇到的現象。由圖3知，凸起是在開(kāi)關(guān)管VT4關(guān)斷后產(chǎn)生的，當滯后臂開(kāi)關(guān)管關(guān)斷后，原邊電流ip給電容C4充電，電容兩端的電壓上升，但由于諧振電感和漏感的能量較小，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，電流反向，C4兩端電壓上升一段時(shí)間后又下降。由滯后臂VT4開(kāi)關(guān)管的D、S和電流波形可以驗證以上的分析。圖中平臺的小凸起對應著(zhù)中點(diǎn)電壓的凸起，驗證了產(chǎn)生的原因為滯后橋臂的硬開(kāi)關(guān)造成的。

　　由圖4可以看出：在D、S電壓凸起由零到頂點(diǎn)的過(guò)程，原邊電流ip剛好下降為零；在D、S電壓凸起由頂點(diǎn)到零的過(guò)程，電流剛好反向最大，體二極管導通，D、S電壓箝位為零，同樣可以驗證上述分析的結果。

　　由于滯后橋臂沒(méi)有實(shí)現零壓開(kāi)通，不僅導致了效率的下降，更加嚴重的問(wèn)題是橋臂直通。圖5分別為同一橋臂兩個(gè)開(kāi)關(guān)管的D、S電壓和電流波形，可以看到：在開(kāi)關(guān)管VT4的體二極管還正在反向恢復時(shí)，開(kāi)關(guān)管VT2已經(jīng)開(kāi)通，則兩個(gè)開(kāi)關(guān)管存在直通的可能性。輸入電壓全部加在功率管上，將導致炸機。

　　圖5滯后臂開(kāi)關(guān)管VT2的D、S電壓和VT4的電流波形

　　3 防止直通問(wèn)題的解決方案及實(shí)驗結果

　　由以上分析可知：凸起是由于開(kāi)關(guān)管VT4關(guān)斷后產(chǎn)生的，諧振電感和漏感的能量較小，原邊電流iF電流反向引起的，因此加大這部分諧振能量或者防止電流反向是解決此問(wèn)題的方向。

　?、旁龃笾C振電感，加大負載，使滿(mǎn)足零壓開(kāi)通條件。

　　圖6滯后臂VT4的D、S電壓電流波形（增大諧振電感，加大負載）

　　如圖所示，增大諧振電感，加大負載后開(kāi)關(guān)管的D、S電壓波形和電流波形，大家可以看到，開(kāi)關(guān)管關(guān)斷后，電流能量較大，沒(méi)有反向，電壓凸起消失。

　?、圃谠呍黾虞o助諧振網(wǎng)絡(luò )

　　為給滯后橋臂增加的輔助網(wǎng)絡(luò )的原理圖，圖中Ca1和Ca2為電解電容，L1為輔助諧振電感，用此網(wǎng)絡(luò )來(lái)增加諧振能量，此網(wǎng)絡(luò )與負載無(wú)關(guān)，因此可以實(shí)現全程零壓開(kāi)通，并且參數容易設計。從圖中可以看出小凸起同樣消失。

　?、怯蔑柡碗姼刑娲鷤鹘y的線(xiàn)性電感。利用飽和電感在飽和狀態(tài)呈現高阻的性質(zhì)來(lái)防止電流反向。飽和電感詳細的工作原理。

　　4 結論

　　由上述分析得知，全橋電路的直通問(wèn)題是典型問(wèn)題，因此防止直通就成為全橋電路穩定的重要方面。因此在設計電路參數時(shí)，只要保證在輕載時(shí)同一橋臂開(kāi)關(guān)管不直通即可，即在開(kāi)關(guān)管D、S的電壓還沒(méi)有降到零，則體二極管不會(huì )導通，此時(shí)同一橋臂的另外一個(gè)開(kāi)關(guān)管導通，沒(méi)有直通。根據以上的分析，已經(jīng)成功的利用移相全橋電路應用在相關(guān)的產(chǎn)品中，使全橋電路得到了廣泛的應用。