ZVZCS移相全桥软开关工作原理详解

　　ZVZCS移相全桥软开关工作原理

　　（1）主电路拓扑

　　本设计采用ZVZCSPWM移相全桥变换器，采用增加辅助电路的方法复位变压器原边电流，实现了超前桥臂的零电压开关（ZVS）和滞后桥臂的零电流开关（ZCS）。电路拓扑如图3.6所示。

　　当1S、4S导通时，电源对变压器初级绕组正向充电，将能量提供给负载，同时，输出端钳位电容Cc充电。当关断1S时，电源对1C充电，2C通过变压器初级绕组放电。由于1C的存在，1S为零电压关断，此时变压器漏感kL和输出滤波电感oL串联，共同提供能量，由于Cc的存在使得变压器副边电压下降速度比原边慢，导致电位差并产生感应电动势作用于

　　kL，加速了2C的放电，为2S的零电压开通提供条件。当Cc放电完全后，整流二极管全部

　　导通续流，在续流期间原边电流已复位，此时关段4S，开通3S，由于漏感kL两边电流不能突变，所以4S为零电流关断，3S为零电流开通。

　　（2）主电路工作过程分析

　　半个周期内将全桥变换器的工作状态分为8种模式。

　　①模式1

　　1S、4S导通，电源对变压器初级绕组正向充电，将能量提供给负载，同时，输出端箝

　　位电容Cc充电。输出滤波电感oL与漏感kL相比较大，视为恒流源，主电路简化图及等效电路图如图3.7所示。

　　由上图可以得到如下方程：

　　②模式2

　　③模式3

　　S1关断，原边电流从S1转移至C1和C2，C1充电，C2放电，简化电路如图3.9所示。由于C1的存在，S1是零电压关断。变压器原边漏感kL和输出滤波电感oL串联，共同提供能量，变压器原边电压abV和整流桥输出电压以相同的斜率线性下降，满足：

　　④模式4

　　当整流桥输出电压rV线性降至箝位电压CcV时，hD导通，由于Cc的存在使得变压器副边电压下降速度比原边慢，导致电位差并产生感应电动势作用于kL，加速了C2的放电，为S2的零电压开通提供条件。简化电路及等效电路如图3.10所示。

　　由上图可建立如下方程：

　　⑤模式5

　　C2被放电完全，Ds2导通，此时开通S2，由于Ds2的存在，S2为零电压开通，变压器原边电压abV为零，简化电路及等效电路如图3.11所示。

　　根据上图可建立如下方程：

　　⑥模式6

　　原边电流复位到零后，Cc提供负载电流，二次侧整流桥输出电压迅速下降，满足：

　　该模式的简化电路及等效电路如图3.12所示。

　　⑦模式7

　　Cc被放电到零，整流二极管D1～D4全部导通，负载电流通过整流二极管续流，续流期间关断S4，由于原边电流已复位，因此S4为零电流关断。其简化电路如图3.13所示。

　　⑧模式8

　　进入该模式时，S3零电流导通，由于变压器漏感kL两端电流不能突变，因此原边电流pI线性增加，满足：

　　其简化电路如图3.14所示。

　　以移相全桥为主电路的软开关电源设计

　　仿真与实验结果分析

　　PSpice是一款功能强大的电路分析软件，对开关频率70kHz的ZVZCS软开关电源的仿真是在PSpice9.1平台上进行的。

　　实验样机的主回路结构采用图1所示的电路拓扑，阻断二极管采用超快恢复大功率二极管RHRG30120，其反向恢复时间在100ns以内，满足70kHz开关频率的要求。开关管MOSFET采用IXYS公司的IXFK24N100开关管，这种型号MOS管自身反并有超快恢复二极管，其反向恢复时间约250ns。

　　图5是超前桥臂开关管驱动电压与管压降波形图，（a）为仿真波形、（b）为实验波形，可见超前臂开关管完全实现了ZVS开通，VT1、VT2关断时是依赖其自身很小的结电容来实现的，从图中可以看出，关断时也基本实现了ZVS关断。

　　图5超前桥臂开关管驱动电压与管压降波形图

　　图6是滞后桥臂开关管驱动电压与电流波形图，（a）为仿真波形、（b）为实验波形;

　　图7是滞后桥臂开关管管压降与电流波形图，（a）为仿真波形、（b）为实验波形。

　　从图6、图7可以看出滞后臂开关管VT3、VT4很好地实现了ZCS关断，关断时开关管电流已经为零。滞后臂开关管完全开通之前，开关管电流也几乎为零，基本实现了ZCS开通。而且滞后桥臂开关管VT3、VT4可以在很大负载范围内实现ZCS开关。

　　图8是两桥臂中点之间的电压Uab的波形图，（a）为仿真波形、（b）为实验波形。

　　图9是阻断电容Cb上的电压U曲波形，（a）为仿真波形、（b）为实验波形。

　　从上图可以看出，由于有Ucb的存在，Uab不是一个方波。当Uab=0时，阻断电容Cb上的电压Ucb使原边电流ip逐渐减小到零，由于阻断二极管的阻断作用，ip不能反向流动，从而实现了滞后桥臂的ZCS开关。

　　综上所述，我们能够发现，采用UC3875作为核心控制器件的好处是结构简单、性能可靠。并且主电路的开关管全部实现了软开关，同时还避免了ZVS以及ZCS模式当中常见的一些错误。能够显着的减少在开关过程当中开关管发生的损耗，进而提高开关频率，减少电源的体积并减轻重量。