ZVZCS移相全橋軟開關工作原理詳解

　　ZVZCS移相全橋軟開關工作原理

　　（1）主電路拓撲

　　本設計採用ZVZCSPWM移相全橋變換器，採用增加輔助電路的方法復位變壓器原邊電流，實現了超前橋臂的零電壓開關（ZVS）和滯後橋臂的零電流開關（ZCS）。電路拓撲如圖3.6所示。

　　當1S、4S導通時，電源對變壓器初級繞組正向充電，將能量提供給負載，同時，輸出端鉗位電容Cc充電。當關斷1S時，電源對1C充電，2C通過變壓器初級繞組放電。由於1C的存在，1S為零電壓關斷，此時變壓器漏感kL和輸出濾波電感oL串聯，共同提供能量，由於Cc的存在使得變壓器副邊電壓下降速度比原邊慢，導致電位差並產生感應電動勢作用於

　　kL，加速了2C的放電，為2S的零電壓開通提供條件。當Cc放電完全後，整流二極體全部

　　導通續流，在續流期間原邊電流已復位，此時關段4S，開通3S，由於漏感kL兩邊電流不能突變，所以4S為零電流關斷，3S為零電流開通。

　　（2）主電路工作過程分析

　　半個周期內將全橋變換器的工作狀態分為8種模式。

　　①模式1

　　1S、4S導通，電源對變壓器初級繞組正向充電，將能量提供給負載，同時，輸出端箝

　　位電容Cc充電。輸出濾波電感oL與漏感kL相比較大，視為恆流源，主電路簡化圖及等效電路圖如圖3.7所示。

　　由上圖可以得到如下方程：

　　②模式2

　　③模式3

　　S1關斷，原邊電流從S1轉移至C1和C2，C1充電，C2放電，簡化電路如圖3.9所示。由於C1的存在，S1是零電壓關斷。變壓器原邊漏感kL和輸出濾波電感oL串聯，共同提供能量，變壓器原邊電壓abV和整流橋輸出電壓以相同的斜率線性下降，滿足：

　　④模式4

　　當整流橋輸出電壓rV線性降至箝位電壓CcV時，hD導通，由於Cc的存在使得變壓器副邊電壓下降速度比原邊慢，導致電位差並產生感應電動勢作用於kL，加速了C2的放電，為S2的零電壓開通提供條件。簡化電路及等效電路如圖3.10所示。

　　由上圖可建立如下方程：

　　⑤模式5

　　C2被放電完全，Ds2導通，此時開通S2，由於Ds2的存在，S2為零電壓開通，變壓器原邊電壓abV為零，簡化電路及等效電路如圖3.11所示。

　　根據上圖可建立如下方程：

　　⑥模式6

　　原邊電流復位到零後，Cc提供負載電流，二次側整流橋輸出電壓迅速下降，滿足：

　　該模式的簡化電路及等效電路如圖3.12所示。

　　⑦模式7

　　Cc被放電到零，整流二極體D1～D4全部導通，負載電流通過整流二極體續流，續流期間關斷S4，由於原邊電流已復位，因此S4為零電流關斷。其簡化電路如圖3.13所示。

　　⑧模式8

　　進入該模式時，S3零電流導通，由於變壓器漏感kL兩端電流不能突變，因此原邊電流pI線性增加，滿足：

　　其簡化電路如圖3.14所示。

　　以移相全橋為主電路的軟開關電源設計

　　仿真與實驗結果分析

　　PSpice是一款功能強大的電路分析軟體，對開關頻率70kHz的ZVZCS軟開關電源的仿真是在PSpice9.1平臺上進行的。

　　實驗樣機的主迴路結構採用圖1所示的電路拓撲，阻斷二極體採用超快恢復大功率二極體RHRG30120，其反向恢復時間在100ns以內，滿足70kHz開關頻率的要求。開關管MOSFET採用IXYS公司的IXFK24N100開關管，這種型號MOS管自身反並有超快恢復二極體，其反向恢復時間約250ns。

　　圖5是超前橋臂開關管驅動電壓與管壓降波形圖，（a）為仿真波形、（b）為實驗波形，可見超前臂開關管完全實現了ZVS開通，VT1、VT2關斷時是依賴其自身很小的結電容來實現的，從圖中可以看出，關斷時也基本實現了ZVS關斷。

　　圖5超前橋臂開關管驅動電壓與管壓降波形圖

　　圖6是滯後橋臂開關管驅動電壓與電流波形圖，（a）為仿真波形、（b）為實驗波形;

　　圖7是滯後橋臂開關管管壓降與電流波形圖，（a）為仿真波形、（b）為實驗波形。

　　從圖6、圖7可以看出滯後臂開關管VT3、VT4很好地實現了ZCS關斷，關斷時開關管電流已經為零。滯後臂開關管完全開通之前，開關管電流也幾乎為零，基本實現了ZCS開通。而且滯後橋臂開關管VT3、VT4可以在很大負載範圍內實現ZCS開關。

　　圖8是兩橋臂中點之間的電壓Uab的波形圖，（a）為仿真波形、（b）為實驗波形。

　　圖9是阻斷電容Cb上的電壓U曲波形，（a）為仿真波形、（b）為實驗波形。

　　從上圖可以看出，由於有Ucb的存在，Uab不是一個方波。當Uab=0時，阻斷電容Cb上的電壓Ucb使原邊電流ip逐漸減小到零，由於阻斷二極體的阻斷作用，ip不能反向流動，從而實現了滯後橋臂的ZCS開關。

　　綜上所述，我們能夠發現，採用UC3875作為核心控制器件的好處是結構簡單、性能可靠。並且主電路的開關管全部實現了軟開關，同時還避免了ZVS以及ZCS模式當中常見的一些錯誤。能夠顯著的減少在開關過程當中開關管發生的損耗，進而提高開關頻率，減少電源的體積並減輕重量。

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