| 移相控制ZVC PWM DC/DC全桥变换器的设计 |
| 类别：电源技术 |
| 摘 要 就谐振软开关技术在DC/DC变换器中广泛应用，介绍了一种移相控制ZVC PWM DC/DC全桥变换器的设计方法，其包括功率开关管参数选取、主变压器设计、换流电感设计、缓冲电容选择及参数验算等。
关键词 软开关 移相控制 变换器
1 引言
软开关技术是80年代初由美国弗吉尼亚电力电子中心李泽元教授首先提出并应用于DC/DC变换器中。由于它具有减少开关损耗、降低电磁干扰等优点，使其发展迅速，被广泛地引入各类电力电子变换器中，并逐渐推向应用。所谓软开关，就是在功率开关器件开通、关断的瞬间实现零电压或（和）零电流。目前，软开关技术主要还是利用谐振原理，使开关器件（电路）在开、关瞬间两端电压（或流过的电流）为零。
谐振软开关技术在DC/DC变换器中应用最为广泛。其中，大功率变换器应用最普遍的是移相控制ZVS PWM DC/DC全桥变换器。对于各种谐振开关组成的准谐振变换器，只在小功率DC/DC变换器中得到应用。而一般DC/AC变换器电源中还没有出现非常成熟的软开关技术。
2 移相控制ZVC PWM DC/DC全桥变换器的设计
对于各类谐振式DC/DC软开关变换器已有很多介绍，特别是移相ZVS PWM DC/DC全桥变换器近年出现研究热潮。这里介绍移相控制ZVC PWM DC/DC全桥变换器的设计方法［1］［2］。
图1是基本移相控制ZVC PWM DC/DC全桥变换器电路及其驱动信号。按驱动信号时序，通常将S1、S2称为超前桥臂，S3、S4称为滞后桥臂。据理论分析，超前桥臂实现零电压开通比较容易。电路设计主要针对滞后桥臂零电压开通。
下面分析滞后桥臂换流过程。
滞后桥臂换流过程是i0从S换到S4的过程。换流开始前S1已开通，S3未关断，S2、S4关断，这时，变压器次级整流二极管短路［3］。换流是由变压器漏感LS及换流电感Lr中的储能形成的。当t=t0时，S3关断，滞后桥臂换流过程开始，其等效电路见图2。
换流的初始条件如下：
由等效电路及初始条件求解得：
当UC4(t)=0时，VD4开通，此时必须满足：
从t1时刻起，S3关断，VD4将开通，续流电流iLr流经VD4—Lr—VD3—Uin。
此时，iLr线性减小。设经时间Δt，iLr达到零，则：
由（5）（6）式得：
而iLr达到零所经历的总时间为：
滞后桥臂S4的驱动信号在t1＜t＜t2之间给出，S4才能实现零电压开关。因为，S4的驱动信号在t1之前给出，C4尚未实现放电，在t2之后给出，iLr已无电流，C4将再次补充电。根据上面分析得ω0t1、ω0t2和x的关系如表1。
DC/DC直流变换器功率电路的主要技术指标如下：
输入电压380V±10%50Hz
输出额定功率16kW
输出电压27V
（1）功率开关管参数选取设开关频率f=40kHz，死区时间2.5μs，则半周最大驱动宽度为
380V三相整流后的直流电压Uin=1.35×380V≈500V。不考虑损耗，直流线上平均电流Iin=32A。考虑电流波动及损耗取Iin=40Ａ。则峰值电流为 考虑留有一定余量，选取额定电流为100 A～150Ａ的IGBT模块。又因为空载时，整流输出直流电压Uin=2×380V=537Ｖ。考虑电压上浮10%，Ｕin可达590V。又考虑安全因素，取电压等级为1200V IGBT模块。综合考虑，则可采用富士公司 IGBT ZMBI 150L-120。
(2)主变压器设计
选取铁基超微晶材料环形铁芯U0-4。此铁芯外径为130mm、内径80mm、高30mm有效截面积为5.6cm2[4]。在开关频率为40kHz时，饱和磁感应强度约为0.8T。由于该铁芯窗口面积大，为提高抗饱和能力，取变压器单边磁感强度为ΔB1=0.4T，变压器双边磁感强度为ΔB〖WTBZ〗=2·
式中,W1为变压器初级的匝数。
初级电流为梯形波，丢失脉宽为 μs，死区时间td=2.5μs，总的斜升时间为2.5μs+2.5μs=5μs，而Im=66.7A。则其有效值
考虑集肤效应，W1用多股Φ=0.29mm高强度漆包线绞合。
593A，次级分4个独立绕组，全波整流后再并联，每个绕组承担平均电流为选用摩托罗拉公司快恢复二极管MUR200 30CT×4并联输出。
次级绕组仍用多胶绞线。
(3)换流电感设计〖WTBX〗
的漏感，取Lr=10μH左右，用非正态磁态AC—1，主变压器初级径线8匝，间隙2～2.5mm。
(4)缓冲电容
C1～C4除参与零电压开通谐振外，还起关断缓冲作用。Ci（i取1,2,3,4）的接入使开关器件两端的电压缓缓上升，其电流上升规则为iLr=
按本例要求，则
表ZMI150L-120的tf=0.3μs
考虑器件的结电容，实际选取C1-4=5600pF。
(5)验算参数
查表1得〖WTBX〗x≈3.90。而I′0=x·Ir≈65.4A，即当初级电流幅值小于65.4A时，滞后桥臂不能实现零电压开通。原因是r中的储能不足以使VD4导通维持到死区时间2.5μs之后， iLr提前换向，使C4多次充电，从而失去零电压开通条件。对于超前臂，可以分析出 A,即初级电流只要4A就可实现零电压开通。
总之，软开关技术是目前和今后一段时间内电力电子技术领域中主要研究方向之一。降低电压、电流应力，减少占空比丢失，降低成本，提高可靠性和适应负载宽范围变化是今后的研究重点。同时，在高频率下，如何实时检测负载变化，在短时间内完成时序及控制策略的计算也是需解决的问题。采取数字信号处理（DSP）控制将是软开关发展的另一趋势。
参考文献
1 罗建武.大功率软开关DC/DC变换器的研究.硕士论文·华中科技大学，2001(4)
2 王兆安等.电力电子技术发展动向.电力电子技术，1995(4)：84～85
3 阮新波.软开关PWM DC/DC全桥变换器的实现策略.电工技术学报，1996(6)：27～30
4 徐泽玮.非晶和微晶合金铁芯在电力电子技术中的应用.电力电子技术，1996(1)：90～94
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