ZVS移相全桥拓扑结构分析-电子发烧友网

摘要

1基本ZVS拓扑介绍

2原始ZVS拓扑及存在问题分析

3目前使用的改进型ZVS拓扑结构

1 基本ZVS拓扑介绍

软开关的由来和基本概念

1 产生原因

1）目前电子变换技术的发展方向

高频化（小型化、轻量化）、大容量化、高性能化

2）技术发展带来的问题

高频与大容量化→装置内部电压、电流变化；开关器件应力、电磁干扰

开关器件非线性→产生谐波、输入电流波形失真；工作和不控整流；功率因素降低等

3）解决方法

抑制EMI→软开关谐振变化技术

减小谐波→谐波补偿和PWM调制技术

2 软开关的概念

1）开关管硬开关动作

如图所示，由于功率器件的开关过程不是瞬时完成的，在开关过程会存在电压和电流重叠的时候，此刻就为开关直接开关的情况下的功率损耗情况，可以看出此时的损耗是相当大的。

2）软开关动作

软开关的发展及分类

1 根据软开关的发展历程可将软开关电路大致分为一下几类：

1）准谐振电路

ZVS QRC;ZCS QRC;ZVS QRC; Resonant DC Link(用于逆变器的谐振直流环）。谐振电路中的电压或电流波形为正弦半波称为准谐振。

作用：减小开关损耗和降低开关噪声

危害：谐振峰值电压高，要求开关应力大，谐振电流有效值大，通态损耗大，谐振周期随输入电压、负载变化而变化，变频不好控制。

2）零开关PWM电路

ZVS PWM; ZCS PWM。

较谐振电路相比，该电路电流和电压基本上是方波，有较缓的上升和下降斜率，开关应力低，恒频率控制方便。

3）零转换PWM电路

ZVT PWM;ZCT PWM

2 软开关的发展趋势

1）普遍性

2）开关频率高，重新利用谐振电路

3）组合简单电路获得高性能电路结构

2 原始ZVS拓扑及存在问题分析

基本的ZVS变换拓扑

要实现开关管的零电压开通，必须有足够的能量来：1）抽走将要开通的开关管结电容上的电荷；2）给即将关断的开关管结电容充电；3）同时要考虑变压器初级绕组的寄生电容上的电荷。

即所需的能量为：

式中Ci为开关管的结电容，CTr为变压器初级绕组的寄生电容，Ui为输入电压。

超前桥臂实现ZVS相对来说比较容易，滞后桥臂实现起来相对困难一些。

滞后桥臂ZVS实现的条件相对恶劣，原因是由于在滞后桥臂开关管交换开通时，副边的整流二极管处于换流阶段，两二极管同时开通，是变压器副边短路，使原边电压箝位在0，原副边隔离无能量流通，此时滞后桥臂开关管结电容的充放电全靠变压器漏感中能量实现。

解决办法：

1）增大电流（励磁电流），

2）增大谐振电感。

另外，还涉及到一个占空比丢失的问题，在原边电压换向的时刻，电压已经换向，但电流却是与电压相反的方向，此时电压要对谐振电感作用，使其电流迅速下降并反向增大，在此过程中，当原边电流小于副边滤波电感电流时，不向副边功能，因此称为占空比丢失。以前的解决办法就是减小变压器原边与副边的变比，但这也会带来新的问题。

为此提出了新的解决滞后桥臂ZVS实现的方案。

3目前使用的改进型ZVS拓扑结构

改进的ZVS变换拓扑

为了改进之前所述基本移相的ZVS全桥拓扑存在的缺点，后面使用过程中提出了一种能改善滞后桥臂ZVS范围的结构。如下图所示。

图2 改进的移相ZVS全桥结构

改进的ZVS拓扑优缺点分析：

优点:不仅拓宽了结构拓扑滞后桥臂在轻载条件下零电压开关的实现，降低了开关损耗，还消除了副边整流二极管的电压震荡，缩短了其反向回复时间，提高了结构的效率。

缺点：引进了两二极管增加了传导损耗，二极管的反向恢复严重。

二极管反向恢复问题

图3 二极管反向恢复特性曲线

二极管在开关电源中应用非常之多，由于开关电源通常工作在高频条件下，这样二极管就会迅速开通和关断，在其快速开通和关断条件下，难免会产生较高的电压尖峰和开关损耗，这就叫反向恢复现象。

一般的二极管就一PN结（肖特基除外）。PN结结构的二极管，其P区、N区都有多数载流子和少数载流子，PN结内的载流子都存在着扩散运动和飘移运动。扩散运动是由载流子浓度不同而引起的；漂移运动则是因电场作用引起的。二极管两端加正电压时，扩散运动超过飘移运动 ,P 区与 N 区的多数载流子都不断地向对方区域扩散,并在对方区域中有相当数量的存储。此时,若在二极管两端突加反向电压,PN 结内的飘移运动超过扩散运动,上述的存储电荷在电场的作用下将回到己方区域 ,或者被复合掉 ,这样就产生了一个反向电流。

在这一反向电流的作用下,存储电荷被全部扫出,PN结交界处耗尽层的势垒高度增加,反向电流给二极管并联寄生电容充电,二极管电压开始反向增大。电容电压达到一定值后,反向电流减少为二极管的反向饱合电流值IR ,二极管反向恢复的过渡过程结束。在这一过程中,反向电流( 最大值记为IRM) 在二极管内产生反向恢复损耗 ,反向电流如果流过电路中其它元件 ,还会产生附加损耗。又由于二极管串联寄生电感和并联寄生电容的作用,二极管两端会产生较高的反向电压浪涌。

图4 二极管反向恢复等效电路

解决功率二极管反向恢复的方法

为解决功率二极管反向恢复问题已经出现了很多种方案。一种思路是从器件本身出发 ,寻找新的材料力图从根本上解决这一问题 ,比如碳化硅二极管的出现带来了器件革命的曙光 ,它几乎不存在反向恢复的问题。另一种思路是从拓扑角度出发 ,通过增加某些器件或辅助电路来使功率二极管的反向恢复得到软化。目前 ,碳化硅二极管尚未大量进人实用 ,其较高的成本制约了普及应用 ,大量应用的是第二种思路下的软化电路。

增加辅助元器件来抑制反向恢复