摘  要 ： 概 述 了 9种 移 相 全 桥 ZVZCS DC/DC变 换 器 ， 简 要 介 绍 了 各 种 电 路 拓 扑 的 工 作 原 理 ， 并 对 比 了 优 缺 点 ， 以 供 大 家 参 考 。
    关 键 词 ： 移 相 控 制 ； 零 电 压 零 电 流 开 关 ； 全 桥 变 换 器  

Summarization of Phase- shifted Full- bridge ZVZCS DC/DC Converter

  ZHU Yan ping

(Yanshan University, Qinhuangdao Hebei 066004 China)  

　　Abstract:A brief account of nine types of phase- shifted full- bridge ZVZCS DC/DC converter is given, The operating mechanism of each topology is introduced, and their advantages and disadvantages are contrasted. It give a reference to everyone. 
　　Keywords:phase- shifted control; ZVZCS; full- bridge converter 

1 概 述
　　所 谓 ZVZCS， 就 是 超 前 桥 臂 实 现 零 电 压 导 通 和 关 断 ， 滞 后 桥 臂 实 现 零 电 流 导 通 和 关 断 。 ZVZCS方 案 可 以 解 决 ZVS方 案 的 故 有 缺 陷 ， 即 可 以 大 幅 度 降 低 电 路 内 部 的 循 环 能 量 ， 提 高 变 换 效 率 ， 减 小 副 边 占 空 比 丢 失 ， 提 高 最 大 占 空 比 ， 而 且 其 最 大 软 开 关 范 围 不 受 输 入 电 压 和 负 载 的 影 响 。
　　滞 后 桥 臂 零 电 流 开 关 是 通 过 在 原 边 电 压 过 零 期 间 使 原边电 流 复 位 来 实 现 的 。即当 原 边 电 流 减 小 到 零 后 ，不允 许 其 继 续 反方向 增 长 。原 边 电 流 复 位 目 前 主 要 有 以下几种方 法 ：
　　1）利 用 超 前 桥 臂 开 关 管 的 反 向 雪 崩 击 穿 ，使 储 存 在 变 压 器 漏 感 中 的 能 量 完 全 消 耗 在 超 前 桥 臂 的 IGBT中 ，为 滞 后 桥 臂 提 供 零 电 流 开 关 的 条 件 ；
　　2） 在 变 压 器 原 边 使 用 隔 直 电 容 和 饱 和 电 感 ，在 原 边 电 压 过 零 期 间 ，将 隔 直 电 容 上 的 电 压 作 为 反 向 阻 断 电 压 源 ，使 原 边 电 流 复 位 ，为 滞 后 桥 臂 开 关 管 提 供 零 电 流 开 关 的 条 件 ；
　　3） 在 变 压 器 副 边 整 流 器 输 出 端 并 联 电 容 ， 在 原 边 电 压 过 零 期 间 ， 将 副 边 电 容 上 的 电 压 反 射 到 原 边 作 为 反 向 阻 断 电 压 源 ， 使 原 边 电 流 迅 速 复 位 ， 为 滞 后 桥 臂 开 关 管 提 供 零 电 流 开 关 的 条 件 。

2 电 路 拓 扑
　　根 据 原 边 电 流 复 位 方 式 的 不 同 ， 下 面 列 举 几 种 目 前 常 见 的 移 相 全 桥 ZVZCS PWM DC/DC拓 扑 结 构 ， 以 供 大 家 参 考 。  

　　1） Nho E.C.电 路 如 图 1所 示 ^[1]。 该 电 路 是 最 基 本 的 移 相 全 桥 ZVZCS变 换 器 ， 它 的 驱 动 信 号 采 用 有 限 双 极 性 控 制 ， 从 而 实 现 超 前 桥 臂 的 零 电 压 和 滞 后 桥 臂 的 零 电 流 开 关 。 这 种 拓 扑 结 构 的 缺 陷 是 L1k要 折 衷 选 择 ， L_1k太 小 ， 在 负 载 电 流 很 小 时 ， 超 前 桥 臂 不 能 实 现 零 电 压 开 关 ； L_1k太 大 ， 又 限 制 了 iL_1k的 变 化 速 度 ， 从 而 限 制 了 变 换 器 开 关 频 率 的 提 高 。 变 换 器 给 负 载 供 电 方 式 是 电 流 源 形 式 ， 电 感 L1k电 流 交 流 变 化 ， 输 入 电 流 脉 动 很 大 ， 要 求 滤 波 电 容 很 大 。 该 电 路 可 以 工 作 在 电 流 临 界 连 续 状 态 ， 但 必 须 采 用 频 率 控 制 ， 不 利 于 滤 波 器 的 优 化 设 计 。

  　　2） Chen K.电 路 如 图 2 所 示 ^[2][3]。 该 电 路 超 前 桥 臂 并 联 有 串 联 的 电 感 和 电 容 。 电 感 L1和 L2很 小 ， 不 影 响 开 关 管 的 ZVS， 但 有 两 个 好 处 ： 一 是 限 制 振 荡 的 电 流 峰 值 ； 二 是 在 负 载 很 小 ， 开 关 管 不 能 实 现 ZVS时 ， 限 制 开 关 管 的 开 通 电 流 尖 峰 。 该 拓 扑 结 构 利 用 IGBT的 反 向 击 穿 特 性 ， 解 决 了 滞 后 桥 臂 IGBT关 断 时 的 电 流 拖 尾 问 题 ， 可 以 提 高 IGBT的 开 关 频 率 ， 而 且 在 负 载 很 小 时 也 能 实 现 零 电 流 开 关 。 但 是 ， 这 个 电 路 也 付 出 了 代 价 ， 漏 感 L1k中 的 能 量 反 向 时 漏 感 L_1k中 的 能 量 全 部 消 耗 在 反 向 击 穿 的 IGBT中 。  

　　3） 原 边 加 隔 直 电 容 和 饱 和 电 感 的 FB- ZVZCS-PWM变 换 器 如 图 3^[4]所 示 。 它 在 基 本 的 移 相 全 桥 变 换 器 的 基 础 上 增 加 了 一 个 饱 和 电 感 Ls， 并 在 主 电 路 上 增 加 了 一 个 阻 挡 电 容 Cb， 阻 挡 电 容 Cb与 饱 和 电 感 Ls适 当 配 合 ， 能 使 滞 后 桥 臂 上 的 主 开 关 管 实 现 零 电 流 开 关 。 在 原 边 电 压 过 零 阶 段 ， 饱 和 电 感 工 作 在 线 性 状 态 ， 阻 止 原 边 电 流 ip反 向 流 动 ， 在 原 边 电 压 为 Vin或 － Vin时 ， 它 工 作 在 饱 和 状 态 。 尽 管 它 有 许 多 明 显 的 优 势 ， 但 也 有 不 足 之 处 ， 如 最 大 占 空 比 范 围 仍 受 到 很 多 限 制 ， 特 别 是 饱 和 电 感 上 有 很 大 的 损 耗 ， 饱 和 电 感 磁 芯 的 散 热 问 题 是 一 个 必 须 解 决 的 问 题 。  

　　4） 副 边 采 用 有 源 箝 位 开 关 的 FB- ZVZCS- PWM变 换 器 如 图 4所 示 ^[5]。 这 种 电 路 没 有 使 用 耗 能 元 件 ， 在 副 边 增 加 有 源 箝 位 开 关 S， 并 通 过 对 有 源 箝 位 开 关 的 适 当 控 制 ， 为 滞 后 桥 臂 创 造 零 电 流 开 关 条 件 。 超 前 桥 臂 在 零 电 压 导 通 与 关 断 的 过 程 中 ， 输 出 滤 波 电 感 Lf参 与 了 谐 振 过 程 ， 而 输 出 滤 波 电 感 通 常 具 有 很 大 的 值 ， 超 前 桥 臂 开 关 管 可 以 在 很 大 的 负 载 范 围 内 满 足 零 电 压 开 关 条 件 ， 开 关 管 的 导 通 与 关 断 的 死 区 时 间 间 隔 受 原 边 电 压 最 大 占 空 比 的 限 制 。 在 此 种 拓 扑 结 构 中 ， 可 能 会 出 现 副 边 整 流 输 出 电 压 的 占 空 比 大 于 原 边 电 压 最 大 占 空 比 的 现 象 ， 这 种 现 象 称 为 “ 占 空 比 增 大 效 应 ” (duty cycle boost effect)这 种 现 象 是 由 箝 位 电 容 Cc和 箝 位 开 关 的 作 用 造 成 的 。 此 电 路 的 主 要 缺 点 是 控 制 上 稍 微 复 杂 一 些 ， 以 及 有 源 箝 位 开 关 采 用 的 是 硬 开 关 ， 但 是 ， 有 源 箝 位 开 关 在 一 个 开 关 周 期 中 仅 工 作 很 短 一 段 时 间 ， 对 变 换 器 整 体 效 率 影 响 很 小 。  

　　5） 利 用 变 压 器 辅 助 绕 组 的 FB- ZVZCS- PWM变 换 器 电 路 拓 扑 如 图 5所 示 [6]。 该 电 路 通 过 在 副 边 增 加 一 个 变 压 器 辅 助 绕 组 和 一 个 简 单 的 辅 助 线 路 ， 无 须 增 加 耗 能 元 件 或 有 源 开 关 来 取 得 滞 后 桥 臂 ZCS。 其 副 边 整 流 电 压 可 由 箝 位 电 容 箝 位 ， 一 般 可 将 其 限 制 在 120％ 额 定 值 内 ， 该 方 案 可 在 大 功 率 场 合 应 用 。 该 电 路 拓 扑 的 优 点 是 负 载 范 围 宽 ， 占 空 比 损 失 小 ， 器 件 的 电 压 应 力 、 电 流 应 力 小 ， 成 本 低 。 但 是 它 也 有 缺 点 ， 即 副 边 结 构 复 杂 ， 设 计 时 有 些 困 难 。  

　　6） 副 边 带 能 量 恢 复 缓 冲 电 路 的 FB-VZCS- PWM 变 换 器 如 图 6所 示 ^[7]。 它 的 副 边 增 加 了 由 3个 快 恢 复 二 极 管 和 2个 小 电 容 构 成 的 能 量 恢 复 缓 冲 电 路 ， 此 电 路 在 能 量 传 递 初 始 期 间 ， 电 容 Cs1和 Cs2与 漏 感 谐 振 ， 电 容 上 的 电 压 达 到 2nVin， 超 前 桥 臂 开 关 管 一 关 断 ， 电 容 上 电 压 就 折 合 到 原 边 ， 在 漏 感 上 产 生 一 反 压 ， 使 得 原 边 电 流 下 降 。 而 且 ， 通 过 能 量 恢 复 电 路 的 低 阻 抗 路 径 使 副 边 整 流 二 极 管 实 现 了 ZVS。 该 结 构 稍 微 复 杂 些 ， 最 大 缺 点 是 ， 由 于 电 容 Cs1和 Cs2与 漏 感 谐 振 ， 使 得 副 边 整 流 电 压 几 乎 是 正 常 电 压 nVin的 2倍 ， 增 加 了 整 流 管 的 电 压 应 力 ， 并 且 由 于 存 在 大 量 环 流 ， 也 增 加 了 导 通 损 耗 。  

　　7） 使 用 改 进 的 能 量 恢 复 缓 冲 电 路 的 FB-ZVZCS- PWM变 换 器 如 图 7所 示 ^[8]。 它 运 用 改 进 的 能 量 恢 复 缓 冲 电 路 来 减 小 循 环 电 流 和 副 边 瞬 间 超 压 。 除 了 增 加 二 极 管 Ds4外 ， 其 工 作 原 理 和 线 路 与 6)相 同 。  

　　8） 滞 后 桥 臂 中 串 入 二 极 管 的 FB- ZVZCS- PWM 变 换 器 如 图 8所 示 ^[9]。 它 利 用 串 联 二 极 管 阻 断 电 容 电 压 可 能 引 起 的 原 边 电 流 的 反 向 流 动 。 可 以 在 任 意 负 载 和 输 入 电 压 变 化 范 围 内 实 现 滞 后 桥 臂 的 零 电 流 开 关 。  

　　9） 副 边 利 用 简 单 辅 助 电 路 的 FB- ZVZCS- PWM变 换 器 如 图 9所 示 ^[10]。 此 电 路 副 边 由 一 个 简 单 辅 助 电 路 构 成 ： 包 括 一 个 小 电 容 和 两 个 小 二 极 管 ， 结 构 简 单 ， 整 流 电 压 不 恒 定 ， 取 决 于 占 空 比 。 该 方 案 不 含 饱 和 电 感 ， 辅 助 开 关 ， 不 产 生 大 的 环 流 ， 没 有 额 外 的 箝 位 电 路 ， 这 是 因 为 ， 副 边 整 流 电 压 被 箝 位 于 箝 位 电 容 电 压 与 输 出 电 压 之 和 。 所 ?的 元 器 件 均 在 低 电 压 ， 低 电 流 下 工 作 ， 还 有 负 载 范 围 宽 ， 占 空 比 损 失 小 等 优 点 ， 从 而 使 此 变 换 器 具 有 高 效 率 ， 低 成 本 ， 解 决 了 目 前 常 见 变 换 器 的 许 多 问 题 。 在 高 功 率 场 合 很 有 发 展 前 途 。

3 结 语
　　综 上 所 述 可 知 ， 图 2和 图 3电 路 使 用 耗 能 元 件 来 复 位 原 边 电 流 ， 降 低 了 总 效 率 并 阻 碍 功 率 超 过 5 kW； 图 4电 路 通 过 副 边 增 加 有 源 箝 位 开 关 来 复 位 原 边 电 流 ， 价 格 较 贵 并 且 控 制 复 杂 ， 有 源 箝 位 开 关 采 用 的 是 硬 开 关 ， 开 关 频 率 是 原 边 的 两 倍 ， 开 关 损 耗 大 ； 图 5电 路 所 有 有 源 和 无 源 元 器 件 都 工 作 在 最 小 电 流 应 力 和 电 压 应 力 下 ， 有 较 宽 的 ZVZCS范 围 ， 较 小 的 占 空 比 损 耗 ， 不 存 在 严 重 的 寄 生 环 流 ， 功 率 超 过 5 kW， 但 是 辅 助 电 路 复 杂 ； 图 6电 路 中 电 容 Cs1和 Cs2与 漏 感 谐 振 引 起 大 的 循 环 能 量 ， 降 低 了 总 效 率 并 使 得 副 边 整 流 电 压 几 乎 是 正 常 电 压 nVs的 二 倍 ， 增 加 了 副 边 整 流 管 的 电 流 应 力 ， 变 压 器 和 开 关 的 导 通 损 耗 也 增 加 了 ； 图 7电 路 是 对 图 6电 路 的 改 进 ， 它 减 小 了 副 边 瞬 间 超 压 和 环 流 ， 也 能 使 开 关 损 耗 传 到 负 载 ； 通 过 比 较 图 6和 图 7缓 冲 电 路 中 Cs放 电 时 间 和 漏 感 L1k复 位 时 间 ， 可 以 看 出 吸 收 电 容 复 位 变 压 器 漏 感 能 量 的 能 力 和 容 量 ， 后 者 比 前 者 加 倍 ， 因 而 使 用 图 7电 路 能 扩 展 到 重 载 范 围 。 图 9电 路 简 化 了 前 几 种 ZVZCS方 案 ， 仅 仅 增 加 由 一 个 小 电 容 和 两 个 小 二 极 管 组 成 的 简 单 辅 助 电 路 ， 无 须 增 加 耗 能 元 件 和 有 源 开 关 实 现 ZVZCS， 不 仅 为 原 边 开 关 提 供 ZVZCS条 件 ， 而 且 箝 位 副 边 整 流 二 极 管 ， 效 率 高 而 且 价 格 便 宜 。  

参 考 文 献  

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[10] Cho J G, Baek J W, Jeong C Y, et al. Novel Zerovoltage and Zero current switching(ZVZCS) Full Bridge PWM Converter Using a Simple Auxiliary Circuit[A]. IEEE Applied Power Electronics Conference and exposition[C]. 1998:834－839.