1、移相全橋ZVS變換器整流橋寄生振蕩的抑制作者：皮之軍  上傳時間：2006-7-26 13:37:56摘要：移相全橋ZVS變換器是中大功率DC/DC變換場合的理想拓撲之一，但在其輸出整流二極管反向恢復時，整流橋產生寄生振蕩，二極管上存在很高的尖峰電壓。這將帶來電路損耗，并影響整流橋的使用壽命。本文分析了振蕩產生的原因，并介紹了抑制的方法。重點分析了一種原邊加箝位二極管的緩沖電路形式，制做了一個5.5kW樣機，并給出了對比實驗結果。 敘詞：寄生振蕩；尖峰電壓；箝位二極管 Abstract：There exists a problem of the Phase-shifted full-

2、bridge zero-voltage-switching(PS-FB-ZVS) PWM converter, which is widely used at medium and high power levels, that the output rectifier diodes suffer the parasitic oscillation and voltage spike resulted by the reverse recovery of the rectifier diodes. In this paper, the reasons and restraining metho

3、ds are discussed, and a novel ZVS converter is proposed which adopts two clamping diodes in the first side of transformer. The operation principle of the novel converter is analyzed and the experimental results of a 5.5kW prototype converter are also given. Keyword：parasitic oscillation; voltage spi

4、ke; clamping diodes 1引言移相全橋零電壓開關PWM變換器(PS-FB- ZVS-PWM converter)利用變壓器的漏感或原邊串聯電感和功率管的寄生電容或外接電容來實現零電壓開關,同時又實現了PWM控制。該變換器電路結構簡潔,控制電路簡單,是中大功率直直變換場合的理想電路拓撲之一1。但是，傳統的移相全橋變換器輸出整流二極管不是工作在軟開關狀態，存在反向恢復過程。在輸出整流二極管反向恢復時，由于變壓器的漏感（或附加的諧振電感）和整流二極管的結電容以及變壓器的繞組電容之間發生高頻諧振，整流橋產生寄生振蕩，二極管上存在很高的尖峰電壓24。這將帶來電路損耗，并影響整流橋的使用壽

5、命。因此，必須采用有效的緩沖電路來抑制寄生振蕩，消除輸出整流二極管上的尖峰電壓。2整流橋寄生振蕩的產生與抑制對策整流橋寄生振蕩產生于變壓器的漏感或附加的諧振電感與變壓器的繞組電容和整流管的結電容之間。當副邊電壓為零時，在全橋整流器中四只二極管全部導通，輸出濾波電感電流處于自然續流狀態。而當副邊電壓變化為高電壓Vin/K（是變壓器變比）時，整流橋中有兩只二極管要關斷，另兩只繼續導通。這時候，變壓器的漏感或附加的諧振電感就開始和關斷的整流二極管的電容諧振。整流橋換流的等效電路如圖1所示。從中可以看出，副邊漏感上電流ILlk是負載電流ILf和即將關斷的二極管反向恢復電流之和，其大小為：其中，Cd為整

6、流二極管結電容。即使采用快恢復二極管，二極管依然會承受至少兩倍的尖峰電壓2。 為了抑制寄生振蕩，減小輸出整流二極管上的尖峰電壓，必須采用有效的緩沖電路。文獻當中提出了多種方式，主要有RC緩沖電路、RCD緩沖電路、主動箝位緩沖電路、第三個繞組加二極管箝位緩沖電路和原邊加二極管箝位緩沖電路等24。前幾種方式，要么帶來額外的損耗，不利于提高變換器的效率，要么需要增加開關管或者繞組，增加了電路復雜性和成本。因此本文重點討論原邊加二極管箝位的緩沖電路形式。3原邊加箝位二極管的緩沖電路原理分析 一種原邊加箝位二極管的ZVS全橋變換器主電路拓撲如圖2所示。其中, D1D4分別是開關管Q1Q4的內部寄生二極管

7、,C1C4分別是Q1Q4的寄生電容或者外接電容。Lr是諧振電感（包括了變壓器的漏感），Cb是隔直電容。每個橋臂兩個開關管成180°互補導通,兩個橋臂導通角相差一個相位，即移相角,通過調節移相角可以調節輸出電壓。Q1和Q3分別領先于Q4和Q2一個相位, Q1和Q3組成超前橋臂,Q2和Q4組成滯后橋臂。D5和D6為變換器原邊附加的箝位二極管。副邊采用全橋整流方式，CDR1 CDR4分別為二極管DR1DR4的等效并聯電容。圖2 原邊加箝位二極管的全橋變換器主電路拓撲圖3 原邊帶箝位二極管的全橋變換器主要波形上述原邊帶箝位二極管的ZVS移相全橋變換器電路的主要工作波形如圖3所示。在一個開關周

8、期中,該變換器共有18種開關狀態,后9種類似前9種。在此只分析前9種狀態。在分析前,作如下假設: （1）除輸出整流二極管外，所有開關管、二極管均為理想器件；（2）所有電感、電容和變壓器均為理想元件；（3）C1=C3=Clead，C2=C4=Clag；（4） 是變壓器原副邊匝比；（5）輸出整流二極管等效為一個理想二極管和一個電容并聯，且這些電容大小相等，即CDR1 =CDR2 =CDR3 =CDR4。圖4給出了箝位二極管起作用前后的t5 t間幾個開關狀態的等效電路（主要電流通路用粗黑線表示）。各開關狀態工作情況描述如下：在t0時刻之前,原邊Q1和Q4導通,副邊輸出整流管DR1和DR4導通, DR

9、3和DR2截止, CDR3和CDR2中充滿電荷。t0時刻關斷Q1，原邊電流ip給C1充電，同時給C3放電，A點電壓下降。由于有C1和C3，Q1是零電壓關斷。此時變換器諧振工作，參與諧振的是諧振電感、超前管結電容和副邊整流二極管結電容。這樣，輸出濾波電感電流iLf一部分給CDR3和CDR2放電,其余部分折算到一次側給C1充電和給C3放電。CDR3和CDR2放電，ip和iLr諧振下降。由于C點電位始終大于0，故D6不可能導通。同時由于CDR3和CDR2放電，副邊電壓減小，原邊電壓隨之減小，而B點電位鉗在0，所以C點電位必定小于輸人電壓Vin，因此D5也不可能導通。t1時刻，C3的電壓下降到零，即A

10、點電位降為0, D3自然導通，此時可以零電壓開通Q3。此后CDR3和CDR2繼續放電，iLr和ip繼續下降。t2時刻，CDR3和CDR2放電結束，DR3和DR2導通，四個整流二極管全通，副邊短接，則變壓器原邊C點電壓下降到0. iLr與ip相等，處于自然續流狀態。t3時刻零電壓關斷Q4 , 副邊四個整流二極管同時導通，Lr和C2、C4諧振工作，給C4充電，同時給C2放電，iLr與ip相等，一起線性下降。由于C4和C2的存在,Q4是零電壓關斷。到t4時刻，C4的電壓上升至Vin, C2的電壓下降到0,D2自然導通，此時可以零電壓開通Q2。t5時刻, ip由正值過零,且向負方向增加,Q3和Q2為i

11、p提供通路,由于ip仍不足以提供負載電流, DR1DR4仍然同時導通, Vrect=0。等效如圖4(a)所示。Vin全部加在Lr上,iLr、ip同時線性負增長。到t6時刻, ip達到折算至一次測的負載電流-iLf/K, DR1和DR4關斷, DR2和DR3流過全部負載電流。Lr與CDR1和CDR4諧振工作,給CDR1和CDR4充電。等效如圖4(b)所示。在t7時刻, CDR1和CDR4上的電壓上升到Vin /K,此時VBC上升到Vin,C點電位變為0，D6導通,將VBC鉗在Vin,因此將CDR1和CDR4電壓鉗在Vin/K，從而消除了整流橋的尖峰電壓和二極管反向恢復造成的損耗。等效如圖4(c)

12、所示。此時，iLr- I4，ipiLriD6。到t8時刻，iD6線性下降為零，D6自然關斷，該模態結束。t9時刻,原邊 Q2和Q3導通,輸出整流管DR2和DR3導通, DR1和DR4截止，一次側給二次側提供能量, 等效如圖4(d)所示。t9t18類似t0t9的工作情況，t16,t17期間，D5導通。4實驗結果針對原邊加箝位二極管的緩沖形式，實際制做了一個5.5kW的全橋變換器樣機，進行了實驗驗證。變換器主要參數如下:輸入電壓為170330VDC,輸出電壓為220V DC, 滿載輸出電流為25A,串聯諧振電感Lr=11µH，隔直電容Cb3µF，輸出濾波電感Lf1.8mH，輸出

13、濾波電容Cf6580µF，開關管采用IGBT 2MBI300-060，開關頻率為20kHz。圖5所示為變壓器原邊和整流橋輸出電壓波形。可見，由于箝位二極管的存在，副邊整流二極管的反向恢復造成的振蕩已經得到有效抑制。本文還做了變換器原邊不加箝位二極管和加箝位二極管的對比實驗。圖6為輸入輸出參數均相同的情況下，兩者整流橋輸出電壓波形對比圖。可以明顯看出，未加箝位二極管時，寄生振蕩非常劇烈，電壓尖峰很高；而加箝位二極管后，振蕩衰減了很多，電壓尖峰也小了許多。圖7進一步給出了輸入電壓和負載電流分別不變的情況下，兩者變換效率的對比曲線。可以看出，加箝位二極管以后，變換器的效率均得到提高。實驗證

14、明，加箝位二極管對整流橋振蕩的抑制以及變換器效率的提高都是有益和有效的。5結論 本文討論了移相全橋ZVS變換器副邊整流橋寄生振蕩產生的原因及其抑制對策，并重點介紹了一種原邊加箝位二極管的緩沖電路形式，它只是在基本的ZVS移相全橋變換器的變壓器原邊電路中附加了兩個二極管，從而在保留基本的ZVS變換器的優點的同時，有效地抑制了輸出整流二極管上的電壓振蕩，減小了電壓尖峰，提高了系統變換效率。參考文獻1 陳堅.電力電子學電力電子變換和控制技術.北京：高等教育出版社，2002.2 阮新波，嚴仰光著.脈寬調制DC/DC全橋變換器地軟開關技術.北京：科學出版社，2001.3 Redl R, etc. A Novel Soft-switching Full-bridge DC/DC Converter: Analysis, Design Consider- ations, at 1.5 kW, 100 kHz. IEEE Trans on Power Electronics, 1991