大功率移相全桥软开关电源的设计

工程硕士学位论文

大功率移相全桥软开关电源的设计 THE DESIGN ON SOFT SWITCHING POWER SUPPLY WITH HIGH POWER PHASE-SHIFTED FULL-BRIDGE

雷连方

哈尔滨工业大学

2006年12月

国内图书分类号 : TM92

国际图书分类号: 621.38

工程硕士学位论文

大功率移相全桥软开关电源的设计

硕士研究生：雷连方

导师：刘瑞叶 教授

副导师：肖连存 高工

申请学位：工程硕士

学科、专业：电气工程

所在单位：中国科工集团第三总体设计部

答辩日期：2006年12 月

授予学位单位：哈尔滨工业大学

Classified Index: TM92

U.D.C: 621.38

Dissertation for the Master Degree in Engineering THE DESIGN ON SOFT SWITCHING POWER SUPPLY WITH HIGH POWER PHASE-SHIFTED FULL-BRIDGE

C a n d i d a t e：Lei Lianfang

Supervisor：Prof. Liu Ruiye

Associate Supervisor：Senior Engineer Xiaolianchun Academic Degree Applied for：Master of Engineering Speciality：Electrical Engineering Affiliation：The 3rd Headquarters of China

Aerospace Science Industry

Company

Date of Defence：December,2006

Degree-Conferring-Institution：Harbin Institute of technology

哈尔滨工业大学工程硕士学位论文

摘 要

软开关技术取代硬开关技术是电力电子行业发展的必然趋势。移相全桥软开关电源的研制在设备的小型化、系统向多平台的扩展等方面具有很好的发展前景。移相全桥零电压零电流开关（ZVZCS）技术可以克服零电压全桥PWM变换器的高环流损耗、占空比丢失严重、滞后桥臂软开关受负载范围限制的缺点。

为了解决大功率电源的电磁兼容问题，从选择主电路拓扑、确定控制方案等方面入手，对大功率变换器的主流电路拓扑结构、工作原理和电路特性做了较深入的分析后，选择以饱和电感来改进全桥变换器主电路拓扑结构、以移相控制集成电路UC3875作为主控芯片、以移相控制方式作为控制方案来设计主电路、控制电路及保护电路。在结构设计时，充分考虑了系统的电磁兼容性能，设计并制作出大功率移相全桥软开关电源的原理样机，开关电源的输出功率约3.5千瓦。

为了验证原理样机的性能，对样机进行了性能试验和电磁兼容指标测试，并利用Matlab仿真软件中的Simulink模块对选用的主电路拓扑进行仿真建模和仿真运算，实验结果表明，设计方案有效，指标达到了设计要求，电磁兼容性能有了很大的改善。

利用ZVZCS技术设计完成的大功率移相全桥软开关电源弥补了以往军用电源的缺陷，在电磁兼容性方面有了极大的改进，减弱了对周围设备的电磁干扰，增强了导弹火控系统的可靠性。

关键词 开关电源；移相全桥变换器；零电压零电流开关；仿真

-I-

哈尔滨工业大学工程硕士学位论文

Abstract

The technology of soft switched converter will replace that of hard switched converter. It’s the necessity trend in the area of electron. The developing of the PSFB soft switched converter makes it possible, such as miniaturization facilities, system expanding to more interfaces. The PSFB soft switched converter has good foreground. Phase-Shifted Full-Bridge Zero-voltage-zero-current-switching (PSFB ZVZCS) technology is adopted in this paper. This technology overcomes the defects of the Zero-voltage-switching (ZVS) FB Pulse-Width-Modulation (PWM) converter, such as the wastage of the high circulating energy, bad loss of the duty cycle, limitation of lagging-leg switches by the ZVS load range.

For solved the Electro Magnetic Compatibility (EMC) of high power supply, it is analyze in the process of choosing main circuit topology and ordering system precept for the main circuit topology, the working principle, the circuit characteristics. This paper focuses on the design of Phase-Shifted Full-Bridge (PSFB) soft switched DC/DC converter, main circuit, control circuit, protect circuit. It uses ZVZCS converter of using a saturable inductor as the main circuit topology. It uses Phase-Shifted control integrate circuit UC3875 as kernel controller. It uses Phase-Shifted control model as system precept. In the design of configuration, it is made the best of the design of Electro Magnetic Compatibility. The principium pattern of PSFB soft switched converter with high power has been made. The export power of this high power converter is 3.5 kW.

For result the performance of the principium pattern, it is tested for performance or EMC. By use of the Simulink block in Matlab simulate software, the simulate modeling of the selected main topology configuration and the simulate calculations are accomplished. The examination results of the principium pattern and the results of the simulate calculations are contrasted. It proves that the system precept is validity, that the EMC is greatly improved.

The high power PSFB soft switched converter with ZVZCS technology overcomes the defects of the old electrical source in army. It’s Electro Magnetic Compatibility has been improved on largely. The electromagnetism disturb to

- II -

哈尔滨工业大学工程硕士学位论文

around facility has been weakened. The reliability of the missile fire-control system can be improved. The consistent on the project guide line and the project demand is gained.

Key words switching power supply; Phase-Shifted Full-Bridge converter;

Zero-voltage-zero-current-switching; simulate

- III -

哈尔滨工业大学工程硕士学位论文

目录

摘 要..................................................................................................................I Abstract................................................................................................................II

第1章绪论 (1)

1.1课题研究的背景 (1)

1.2开关电源的发展和趋势 (1)

1.3软开关基本理论分析 (4)

1.3.1软开关的定义 (4)

1.3.2软开关的分类 (4)

1.4现有开关电源的电磁兼容水平 (6)

1.5本文主要研究内容 (6)

第2章移相控制软开关PWM变换器分析及设计 (7)

2.1引言 (7)

2.2全桥变换器的理论分析 (7)

2.3移相控制零电压PWM全桥变换器分析 (8)

2.3.1电路拓扑结构 (8)

2.3.2电路基本工作原理 (9)

2.3.3电路特性分析 (11)

2.4移相控制零电压零电流变换器的分析与设计 (13)

2.4.1绝缘栅双极晶体管IGBT的特性分析 (13)

2.4.2电路拓扑结构设计 (14)

2.4.3电路工作原理 (15)

2.4.4电路特性分析 (17)

2.5本章小结 (20)

第3章大功率移相软开关电源的设计 (22)

3.1引言 (22)

3.2主电路拓扑结构设计 (22)

3.2.1逆变桥电路 (22)

3.2.2高频变压器和阻断电容 (23)

3.2.3输出整流滤波电路 (23)

- IV -

哈尔滨工业大学工程硕士学位论文

3.3控制及其保护电路设计 (23)

3.3.1UC3875简介 (23)

3.3.2控制电路设计 (27)

3.3.3保护电路设计 (29)

3.4主电路参数设计 (29)

3.4.1高频变压器的设计 (29)

3.4.2输出滤波电感L f的设计 (31)

3.4.3输出滤波电容C的选取 (31)

3.4.4主功率管的选择 (31)

3.4.5移相桥臂并联电容C r的选择 (32)

3.4.6隔直电容C b的选取 (32)

3.5变换器的结构设计 (32)

3.6原理样机设计 (33)

3.7本章小结 (33)

第4章样机试验结果及系统仿真分析 (34)

4.1引言 (34)

4.2试验结果及其分析 (34)

4.3系统仿真 (39)

4.3.1Matlab中仿真工具Simulink简介 (39)

4.3.2仿真模型的建立 (39)

4.3.3仿真及其结果分析 (41)

4.4本章小结 (43)

结论 (44)

参考文献 (45)

哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明 (48)

致谢 (49)

个人简历 (50)

- V -

哈尔滨工业大学工程硕士学位论文

第1章绪论

1.1课题研究的背景

研究电力电子技术的学科称为电力电子技术[1]，电源技术属于电力电子技术的范畴，从日常生活到最尖端的科学都离不开电源技术的参与和支持。

电源设备用以实现电能变换和功率传递，是一种技术含量高、知识面宽、更新换代快的产品。现如今，电源已广泛应用到工业、能源、交通、运输、信息、航空、航天、航运、国防、教育、文化等领域[2，3]。

某武器系统中的NDK型系列直流开关电源（输出直流28.5V 120A）具有体积小、重量轻、效率高的特点，性能指标优良，工作稳定、可靠。经过十多年的发展，目前已形成系列化的直流开关电源产品，应用于国内、国外多型舰艇及地面设备中，成为多型号导弹火控系统的配套专用电源。经过多年的试验验证，该系列专用电源品质优良，满足各型号导弹武器系统的使用要求，完全可以做到导弹火控系统的自兼容。

但从现代战争复杂的作战环境以及军用设备高度密集的使用环境出发，要求各个电子设备应能够达到GJB151A规定的电磁兼容的相关要求。直流开关电源作为重要的供电设备，也是系统中一个很突出的干扰源，其电磁兼容性尤其受到关注。

NDK型系列直流开关电源采用硬开关脉宽调制（PWM）技术，工作频率及功率因数较低，功率密度较小，它产生的谐波将会沿线路产生传导干扰和辐射干扰，从而对电网产生污染，并对邻近电子设备产生部分干扰，设备的电磁兼容性指标较差。

为了改善电源的电磁兼容性指标，满足导弹武器系统的需要，提出了“大功率移相全桥软开关电源的设计”这一课题。

1.2开关电源的发展和趋势

开关电源（Switching Power Supply）电路是电力电子电路的一种。通常把电力分为交流（AC）、直流（DC）两大类。因此，基本的电力电子电路就可以分为四大类型，即AC-DC整流、DC-AC逆变、AC-AC（包括AC-DC-AC）变频或变压、DC-DC直流变换。

开关电源就是电路中的电力电子器件工作在开关状态的电源。这样一来，

- 1 -

哈尔滨工业大学工程硕士学位论文

如果把上述四大类基本电力电子电路都看成电源电路，则所有的电力电子电路也都可以看成是开关电源电路。

在开关电源出现以前，线性稳压电源已经应用了很长一段时间。而后，开关电源是作为线性稳压电源的一种替代物出现的，开关电源这一称呼也是针对线性稳压电源而产生的。

线性稳压电源的关键元器件是调整管。线性稳压电源是通过调整调整管的管压降来达到输出稳压的目的的。为了使调整管可以发挥足够的调节作用，调整管必须工作在线性放大状态，且保持一定的管压降。线性稳压电源为了达到输入、输出隔离的目的，必须使用工频隔离变压器。因此，线性稳压电源有两个严重的缺点：

a)调整管工作在线性放大状态，损耗很大，因而使整个电源效率很低；

b)工频隔离变压器使得电源体积大、重量重。

图1-1 开关电源的典型结构图

开关电源就是为了克服线性稳压电源的缺点而出现的，其典型结构如图1-1。整流电路是把交流电源直接经过初级整流和滤波电路滤波后得到直流电压U in，再由逆变器逆变成高频交流方波脉冲电压。由于人耳可以听到的音频范围大体上为20Hz～20kHz，逆变器的开关频率大多工作20kHz在以上，这样就避免了令人烦躁的噪声污染。逆变器输出经高频变压器T隔离并换成适当的高频交流电压，再经过整流和滤波变成所需要的直流输出电压U0。

当交流输入电压、负载等发生变化时，直流输出电压U0也会发生变化。这时可以调节逆变器输出的方波脉冲电压的宽度，使直流输出电压U0保持稳定。其中逆变电路是开关电源的核心部分[4，5]。

开关电源电路结构比线性稳压电源复杂，但确有许多优点：

a)逆变电路中起调节输出电压作用的电子器件都工作在开关状态，开关损耗根小，使得电源的效率可以达到90%以上，甚至95%以上；

b)电路中起隔离和电压转换作用的变压器是高频变压器，其工作频率多为20kHz以上。因为高频变压器的体积可以做得很小，从而使整个电源的

- 2 -

哈尔滨工业大学工程硕士学位论文

体积大为减小，重量也大大减轻。当然，由于工作频率高，滤波器的体积也大为减少。

还有一大类常见的直流电源，就是由晶闸管控制的相控电源，相控电源中的电力电子器件也是工作在开关状态，只是工作频率是工频50Hz，而不是高频。它的主要缺点是需要一个工频变压器，使得整个电源的体积大、重量重。由于相控电源的开关频率低，它对控制的响应速度也比开关电源要慢。

按照目前的习惯，开关电源是专指电路中的电力电子器件工作在高频开关状态，且输出为直流的电源，因此，开关电源也常被称为高频开关电源[6]。

新型电子器件的发展给开关电源的发展提供了物质条件。20世纪60年代末，高耐压、大电流的双极型电力晶体管（亦称巨型晶体管，BJT，GTR）的出现，使得采用高工作频率的开关电源得以问世，那时确定的开关电源的基本结构一直沿用至今。

开关频率的提高有助于开关电源的体积减少、重量减轻。早期的开关电源的开关频率仅为nkHz，随着开关器件以及磁性材料性能的不断改进，开关电源也逐步提高，当开关频率达到10kHz左右时，变压器、电感等磁性元件发出的噪声就变得很刺耳。为了减小噪声，并进一步减少体积，在20世纪70年代，开关频率终于突破了人耳听觉极限的20kHz。这一变化曾经被称为“20kHz革命”，后来，随着电力金属氧化物场效应晶体管（MOSFET）的应用，开关电源的开关频率进一步提高，使得电源的体积更小，重量更轻，功率密度更进一步提高。

由于和线性稳压电源相比，开关电源在绝大多数性能指标上都具有很大的优势，因此，目前在大多数场合，开关电源已经全面取代了线性稳压电源。

作为电子装置的供电电源，线性稳压电源主要用于小功率场合。因此，在20世纪80年代以前，作为线性稳压电源的更新换代产品，开关电源也主要用于小功率场合。那时，中大功率直流电源仍以晶闸管相控整流电源为主。但是，20世纪80年代起，由于新型开关器件的不断改良，如绝缘栅晶体管IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）的出现，功率MOSFET性能的改善，打破了这一格局。与传统的GTR相比，IGBT、MOSFET工作频率更高，更易于驱动，具有突出的优点而没有明显的缺点，因此，它们迅速的取代了GTR，成为开关电源的主流器件[7]。

如前所述，开关频率的提高可以使电源的体积减小、重量减轻，但却使得开关损耗增大，电源效率下降。另外，开关频率的提高也使得电源的电磁干扰问题变得突出起来[8]。为了解决这一问题，20世纪80年代，出现了采

- 3 -

哈尔滨工业大学工程硕士学位论文

用准谐振技术的零电压开关电路和零电流开关电路，这种技术被称为软开关技术。采用软开关技术，在理想情况下，可以使开关损耗为零，提高效率，使得电源进一步向体积小、重量轻、效率高、功率密度大的方向发展。经过近20年的发展，对于软开关技术的研究至今仍然十分活跃，但是，软开关技术应用最成功的领域仍然是开关电源领域[9，10]。

软开关技术取代硬开关技术是电力电子行业发展的必然趋势。移相全桥软开关电源的研制在设备的小型化、系统向多平台的扩展等方面具有很好的发展前景。

1.3软开关基本理论分析

1.3.1软开关的定义

所谓的“软开关”是与“硬开关”相对应的，凡是用控制的方法使电子开关在其两端的电压为零时导通电流，或使流过电子开关的电流为零时关断，则此开关称为软开关。它能克服传统的硬开关的开关损耗，理想的软开关的开关损耗为零，从而可以提高功率变换器的传输效率[11]。

最理想的软开关开通过程是零电压开通，即：电压先降到零，然后，电流再缓慢上升到通态值，在这个过程中，开通损耗几乎为零，而且开通器件上的电压在开通时下降为零，器件的结电容上的电压也为零，不存在容性开通的问题，也意味着二极管已经截止，其反向恢复过程结束，故也不存在二极管的反向恢复问题。

与之对应的最理想的软开关关断过程是零电流关断，即：电流先降到零，然后，电压再缓慢上升到通态值，在这个过程中，关断损耗几乎为零，而且关断器件上的电流在关断时下降到零，线路中电感上的电流也相应为零，因此不存在感性关断的过程。

上述开关过程对应的波形如图1-2所示，图中还画出了硬开关的工作波形，以示对比。

1.3.2软开关的分类

下面以图1-2为基础分别介绍四种工作方式。

a)零电压关断

开关器件在两端的电压为零时实行关断。此关断命令在t1时刻发出，开

- 4 -

哈尔滨工业大学工程硕士学位论文

关器件上的电流从通态值下降到断态值后，端电压才从通态值上升到断态值，开关器件进入到截止状态，在t2以前，开关器件的端电压必须保持在通态值，即约为零。

b)零电流关断

开关器件在流过的电流从通态值下降到零时关断。此关断命令在t2时刻或其后发出，开关器件上的端电压从通态值上升到断态值，开关器件进入到截止状态。

c)零电压开通

开关器件在两端的电压为零时实行开通。此开通命令在t2时刻或其后发出，流过开关器件的电流从断态值上升到通态值后，开关器件进入到导通状态。在t2以前，开关器件的端电压必须下降到通态值（约等于零），并且在电流上升到通态值以前保持为零。

d)零电流开通

开关器件在流过的电流为零时实行开通。此开通命令在t1时刻发出，开关器件上的端电压从断态值下降到通态值后，电流才从断态值上升到通态值，开关器件进入到导通状态。在t2以前，流过开关器件的电流必须保持在断态值（约等于零）。

软开关的控制方法有许多种，而移相控制被认为是较适合软开关全桥变换器的一种比较好的控制策略，为了避免开关过程中的损耗随频率的上升而急剧增加，移相控制软开关的各种拓扑结构不断出现，有效地解决了硬开关中所出现的各种缺陷[12～15]。

移相控制方式具有很多优越性，它非常适合中大功率的场合，其电路拓扑结构及控制方式一直是人们研究的热点方向[16]。移相软开关技术实现的基本电路结构为移相控制零电压开关PWM-DC/DC（Phase-shifted

- 5 -

哈尔滨工业大学工程硕士学位论文

Zero-voltage-switching PWM，PS-ZVS-PWM-DC/DC）全桥变换器，它利用变压器的漏感和开关管（MOSFET）的结电容来实现开关管的零电压开关，拓扑结构简洁，同时又实现了恒定频率的控制 [17～19]。

1.4现有开关电源的电磁兼容水平

根据GJB151A的要求，我单位生产的开关电源需要进行9项电磁兼容项目的测试，其中5项为敏感度的要求，现有开关电源均可以达到要求，其余4项指标有不同程度的超标现象。

a)25Hz~10kHz(CE101)电源线传导发射项目，在基波频率（50Hz）的5、7次谐波处超过标准曲线约20dB；

b)10kHz~10MHz(CE102)电源线传导发射项目，在电源工作频率（30kHz）附近超过标准曲线约2dB；

c)25Hz~100kHz(RE101)磁场辐射发射项目，在2倍电源工作频率（60kHz）附近超过标准曲线约4dB；

d)10kHz~18GHz(RE102)磁场辐射发射项目，在3MHz～5 MHz频率附近超过标准曲线约20dB。

1.5本文主要研究内容

结合目前的工程需要，经过综合衡量，决定采用移相全桥零电压零电流软开关技术研制大功率开关电源，改善现有开关电源的电磁兼容性能。本论文主要完成了以下工作：

a)对移相控制零电压PWM变换器、移相控制零电压零电流PWM变换器工作原理进行详细的分析，确定可饱和电感实现移相控制零电压零电流PWM变换器作为本论文设计原理样机的基本拓扑结构；

b)对利用可饱和电感实现移相控制零电压零电流PWM变换器的各主要功能电路进行了详细的设计，并对输出为直流28.5V/120A的大功率开关电源的各主要参数进行了详细的计算；

c)充分考虑电磁兼容性能，进行结构设计，制作原理样机并进行一系列的试验，检验样机性能；

d)利用Matlab中Simulink软件包对利用可饱和电感实现的移相控制零电压零电流PWM变换器进行数学仿真，验证本论文所选定方案的正确性、有效性。

- 6 -

哈尔滨工业大学工程硕士学位论文

第2章移相控制软开关PWM变换器分析及设计2.1引言

传统的全桥（Full-Bridge）变换器适用于输出低电压、大电流、小功率的情况，以及电源电压和负载电流变化比较大的场合，其特点是开关频率恒定，便于控制。为了提高变换器的功率密度，减少单位输出功率的体积和重量，需要将开关频率提高到一个新的水平，这就需要运用软开关技术来实现。

本章对移相控制零电压PWM全桥变换器和移相控制零电压零电流PWM全桥变换器电路拓扑结构、工作原理、电路特性等方面，进行较为详细的分析，以确定大功率电源的结构。

2.2全桥变换器的理论分析

全桥变换电路拓扑是目前国内外DC/DC变换电路中最常用的电路拓扑结构之一，这主要是考虑到它具有功率开关器件电压、电流额定值较小，功率变压器利用率高等优点。基本的全桥变换电路根据供电方式的不同可以分为电压型和电流型两种，其中电压型DC/DC全桥变换电路是由基本的BUCK

直流电压U i施加在VT1、VT2、VT3、VT4四个开关管所构成的两个桥臂上，通过控制四只开关管的通断顺序以及导通时间，在主变压器T的原边得到按某一占空比D变化的正负半周对称的方波电压。假定该变压器的变比为

- 7 -

哈尔滨工业大学工程硕士学位论文

n ，则交流方波电压经过高频变压器的隔离和电压变换（升压或降压）后，在变压器的副边对应得到一个幅值为Ui/n 的交流方波电压，交流方波电压Ui/n 再通过输出整流桥变化为直流脉动方波电压，最后通过滤波电感L f 和电容C f 将直流方波电压中的高频分量滤去，在输出端C f 上得到一个平直的直流电压，其电压值为U 0＝DU i /n ，其中2/Ts Ton D =为占空比（T on 为开关管的导通时间，T s 为开关管的驱动脉冲的周期），通过调整占空比就可以方便的调节输出电压。

2.3 移相控制零电压PWM 全桥变换器分析

由于MOSFET 导通时相当于一个电阻，其通态损耗较大。在输入电压很高、输出功率很大时，为了减小通态损耗，可以选用IGBT 来代替MOSFET 作为主功率开关管。但是，IGBT 在关断时存在电流拖尾现象，由此产生较大的关断损耗。为了减小关断损耗，有必要给IGBT 并联一个较大的电容。虽然这样可以减小IGBT 的关断损耗，但也限制了开关频率的提高，变换器一般只能工作在20kHz 左右。为了解决IGBT 的电流拖尾问题，IGBT 最好工作在零电流开关状态。

2.3.1 电路拓扑结构

图

VT1～的漏感），变压器的副边电压经过双半波整流和输出滤波器给负载供电，RL 为等

- 8 -

哈尔滨工业大学工程硕士学位论文

效负载。该电路采用移相PWM软开关控制技术，每个桥臂的两个开关管成180度互补导通，但在实际上每个开关管的导通角小于180度，留有一定的死区时间，以避免上下开关管同时导通。两个桥臂的导通角相差一个相位（移相角），通过调节移相角的大小即可调节输出电压。VT1和VT3分别领先于VT4和VT2一定的相位，故称VT1和VT3组成的桥臂为超前桥臂，VT2和VT4组成的桥臂为滞后桥臂。

移相PWM控制技术利用功率开关管的输出电容和变压器的漏电感作为谐振组件，在一个完整的开关周期内，通过谐振使全桥变换器中的四个开关管依次在零电压下导通，在电容C的作用下零电压软关断，通过移相控制实现占空比调节，完成对输出电压的控制。

图2-3

主要波形。图中VT1和VT3的导通与关断时刻固定不变，通过移相使VT2、VT4的导通时刻与VT1、VT3的相应时刻相差α角。当α为180度时，VT1、VT2同时导通，VT3、VT4同时关断；VT1、VT2同时关断，VT3、VT4同时导通，这样输出的电压等于零。当α为0度时，VT1和VT4或VT2和VT3同时导通或同时关断，此时变换器主电路达到满载状态，调节移相角就可以调节输出电压或电流。

2.3.2电路基本工作原理

PS-ZVS-PWM-DC/DC全桥变换器中的每个开关管都有相同宽度的驱动脉冲，通过移相错位控制能量转换时间，从而达到稳定输出电压的目的。当一个开关管关断时，变压器的初级电流给关断的开关管的并联电容充电，同

- 9 -

哈尔滨工业大学工程硕士学位论文

时使同一桥臂的即将开通的开关管的并联电容放电，当关断的开关管的并联电容的电压充到电源电压时，即将开通的开关管的并联电容的两端电压下降到零，其反并联二极管在零电压下自然导通，此时开通开关管，则该开关管在零电压下开通。而在开关管关断时，由于它的并联电容的作用，开关管在零电压下关断。因此，在移相控制方式下，开关管在零电压下实现开关过程。

在一个开关周期内，PS-ZVS-PWM-DC/DC全桥变换器共有12种开关状态，在分析其工作原理之前，作以下假设[20]：

a)所有开关管、二极管均为理想组件，具有低通态压降和恒定的寄生电容值；

b)所有的电感、电容和变压器均为理想组件。

c)C1=C3=C lead，C2=C4=C lag；

d)L f>>L r/n2,n为变压器的原、副边匝比。

（1） 模态0

在t0时刻以前，VT1、VT4导通。原边电流由电源经过VT1、谐振电感Lr、变压器原边绕组以及VT4，最后回到电源负端。此时，C1和C4两端的电压为零，C2和C3两端的电压为U i。

（2） 模态1（t0~t1时刻）

在t0时刻关断VT1，原边电流转移到C1和C3支路中，C1被充电，而C3放电。由于C1和C3的存在，VT1是零电压关断。直到时刻t1，C3的电压下降到零，V3自然导通，模态1结束。

（3） 模态2（t1~t2时刻）

V3导通后，打开VT3。原边电流从V3中流过，VT3没有电流。由于VT3是在V3导通时打开，所以VT3是零电压开通。

（4） 模态3（t2~t3时刻）

在t2时刻，关断VT4，原边电流由C4和C2提供，即C2放电，C4充电。由于C4和C2的存在，所以VT4是零电压关断。此时实际上是谐振电感和电容C4、C2谐振工作，直到t3时刻，C4的电压上升到U i，C2的电压下降到零，V2自然导通，结束这一个模态。

（5） 模态4（t3~t4时刻）

在t3时刻，由于V2导通，VT2的电压被箝位到零，打开VT2，实现零电压开通。到t4时刻，原边电流下降到零，V2、V3自然关断，VT2、VT3将流过电流。

（6） 模态5（t4~t5时刻）

- 10 -

哈尔滨工业大学工程硕士学位论文

在t4时刻，原边电流由正值过零，逐步向负方向增大，此时VT2、VT3为原边电流提供回路。在t5时刻，原边电流达到折算到原边的负载电流，结束这一个模态。

（7） 模态6（t5~t6时刻）

在这段时间里，电源通过VT2、VT3回路为负载供电，直到VT3关断，变换器开始下半个周期的工作，其工作情况类似于上述的半个周期。

2.3.3电路特性分析

2.3.3.1开关管的软开关实现

由上述分析可知，开关管是在其输出结电容作用下零电压关断的；而零电压开通是通过线路电感与输出结电容产生谐振实现的。通常，通过谐振使同一桥臂上要关断的开关管的结电容充电，要开通的开关管的结电容放电，当电容充放电结束后，给出要开通的开关管的驱动信号，从而实现零电压开通。因此，要实现开关管的零电压开通，必须满足以下两个条件：

a)谐振电路本身的参数与状态应保证能通过谐振使导通管的结电容完全放电；

b)驱动信号必须在导通管的结电容完全放电后给出，即同一桥臂的开关管的关断、导通的时间间隔必须要大于电容的充放电时间。

在超前桥臂的软开关实现过程中，开关管关断后，电路的谐振电感由变压器的漏感和折算到原边的副边滤波电感构成。由于后者的数值较大，因此电感储有足够的能量抽走将要开通的开关管结电容上的电荷，并给同一桥臂上将要关断的开关管的结电容（或外加负载电容）充电，使电容完成充放电状态的转换。

由于在超前桥臂开关过程中，输出滤波电感L f是与谐振电感L r串联的，用来实现零电压开关的能量是L f和L r中的能量。因为L f很大，在超前桥臂开关过程中，其电流近似不变，类似于一个恒流源，故超前桥臂开关管的开关过程中的谐振可以看作是一个恒流充电过程，使得超前桥臂很容易实现零电压开通。

在滞后桥臂的开关管开关过程中，由于变压器的副边处于续流状态，原边和副边均处于短路状态，谐振电感仅为变压器的漏感，谐振时由变压器的漏感释放能量，使开关管VT2、VT4的输出结电容完成充放电的状态转换。当相应的电容电压谐振下降到零时，相应的开关管实现零电压导通。

由于滞后桥臂开关管的零电压导通主要是靠变压器的漏感储能，较小的

- 11 -

哈尔滨工业大学工程硕士学位论文

漏感储能不足以抽走滞后桥臂开关管结电容上的电荷，滞后桥臂将失去零电压的功能。因此滞后桥臂实现零电压开关比较困难。

2.3.3.2副边占空比丢失的分析

副边占空比的丢失是PS-ZVS-PWM-DC/DC全桥变换器中一个特有的现象。所谓副边占空比丢失，就是说副边的占空比小于原边的占空比，其差值就是副边占空比丢失[21]。在这种全桥变换器中，由于变压器漏感的存在，使得原边的电流从正向变换到负向或从负向变换到正向时，上升或下降都存在一定的斜率，虽然原边有正电压或负电压的方波，但原边不足以提供负载电流，副边的所有二极管都处于导通状态，负载处于续流阶段，其两端的电压为零，这样副边就丢失了从正向变换到负向或从负向变换到正向这两部分的电压方波，如图2-3的阴影部分所示。

由上述分析可知，在输入电压最低、负载电流最大时，副边占空比的丢失最为严重。为了在输入电压最低、负载电流最大时依然可以得到要求的输出电压，必须减小变压器原、副边的匝数比。但是匝数比的减小又带来了两个不利影响：

a)在输出功率相同的条件下，原边电流变大，使得开关管的通态损耗增加，开关管的电流额定值增加；

b)副边整流二极管的电压应力增大。

采用PS-ZVS-PWM-DC/DC全桥变换器，电路拓扑中的开关管在零电压下运行，器件的开关损耗较小，而且它的控制规律简单，其控制的脉冲宽度恒定，只需要改变控制信号的移相角就能达到使输出不随负载变化的目的，而它的开关器件的恒频运行也使开关管的开关损耗减小，另外，它不象硬开关PWM那样需要缓冲吸收电路，在无吸收电路的情况下功率器件的开关应力不足以损坏开关管。正是它的这些良好的特性使得它的应用比较的普遍。但是在应用过程中也发现了一些缺点：

a)当负载较轻时滞后桥臂开关管的零电压开关很难实现，软开关的条件难以满足；

b)原边有较大的环流，使得导通损耗增加；

c)输出的整流二极管不能实现零电压开关，其开关的损耗较大。

2.3.3.3电路拓扑结构的改进方向

虽然PS-ZVS-PWM-DC/DC全桥变换器比常规的硬开关PWM变换器有更多的优点，但是它的不足之处也很明显。特别是滞后桥臂的软开关的开通范围较小，在轻载情况下很难满足，使得它对负载大范围变化的场合很难适

- 12 -