真正意义上的定频软开关PWM变换设计方案

　　随着电力电子器件从晶闸管(SCR)到大功率晶体管(GTR)，再发展到VMOSFET和IGBT等，功率变换技术也经历了从负载谐振变换到硬开关PWM，再到双零开关和双零变换的发展过程。双零变换技术包括零电压变换(ZVT)和零电流变换(ZCT)两种，它们的基本工作原理是采用辅助开关管与谐振电路共同配合主开关管工作，使其分别实现零电压开关(ZVS)或零电流开关(ZCS)，是真正意义上的定频软开关PWM变换，具有定频PWM变换和软开关变换的共同优点，所以双零变换技术是功率变换技术的发展趋势之一。

       2移相全桥ZVT软开关变换技术

　　双零变换技术中，ZVT变换技术应用比较普遍，主要用于高频有源PFC和DC/DC变换电路。ZVT变换的基本工作原理是辅助开关管与谐振电路共同工作，使主开关管实现零电压开关。

　　ZVT变换技术的主要优点有：

　　(1)定频PWM变换，与以调频形式工作的ZVS变换相比，变压器和滤波电抗器的设计比较容易，利用率也比较高;

　　(2)在主开关管开通和关断的过程中，采用部分谐振技术，实现软开关变换，大大降低了开关损耗，提高了工作效率;

　　(3)主开关管导通时流过的电流和关断时承受的电压与硬开关PWM变换相近，比双零开关变换成本低，可靠性高;

　　(4)软开关变换，电磁干扰(EMI)小。

　　图1移相全桥变换电路

　　ZVT变换技术典型的应用是移相控制的全桥式变换电路，其基本电路如图1所示。

　　VDA、VDB、VDC、VDD分别是开关管VA、VB、VC、VD(这里以IGBT为例)的等效反并联体二极管;CA、CB、CC、CD分别是VA、VB、VC、VD的等效输出电容(结电容);L1为一次侧电路引线电感LX、变压器一次侧绕组漏感LL和外加电感L之和，即

　　图2移相PWM控制波形

　　L1=LX+LL+L(1)

　　开关管采用移相式PWM控制方式，控制波形见图2。

　　由此可见，移相全桥变换电路四个开关管既为主开关管，又互为辅助开关管，既不增加开关管数量，又吸收了分布参数作谐振电路参数，实现零电压转换[1]。

　　3 ZVT软开关变换电路中的应用设计

　　移相全桥ZVT软开关变换电路可以用于设计许多类型的开关电源变换装置，设计方法和过程都是相似的。由于主电路确定为全桥式逆变电路，集成控制芯片一般选UCX875～79或者ML4148，所以最主要的设计内容归结为两点：一是根据散热平衡优化设计ZVT软开关变换谐振参数，二是控制系统的环路设计。

　　3.1ZVT软开关变换谐振参数的优化设计

　　主电路谐振电感量L1是决定能否实现零电压转换的关键。L1太小，在负载较小时，虽然超前桥臂开关管比较容易实现ZVT，但是由于环流不能维持到滞后桥臂开关状态的转换时刻，使滞后桥臂不能实现ZVT[1]。但是，L1过大，会限制最大占空比，并会降低功率因数。负载很轻时，电流不太大，即使是硬开关状态，开关损耗也不会太大。另外，开关管的通态损耗也随电流的变化而变化，对于IGBT管，管压降为UCES，应按照满载时设计散热条件。因此，使滞后桥臂实现ZVT的最小负载电流优化的原则应该是：当电流下降到αIOE时，滞后桥臂上两只开关管的开关损耗的增加量Pon-offr等于所有四只开关管的通态损耗的减少量PONf，不变的散热条件，使得开关管的结温仍然保持原来的水平，由文献[2]可知，Pon-offr和PONf可以分别由式(2)和式(3)求出，所以α可以由式(4)求出：

　　Pon-offr=αIOEUd(ton+toff)fS(2)

　　PONf=4δ(1-α)IOEUCESat(3)(4)

　　式中：ton——IGBT的开通时间，toff——IGBT的关断时间;fS——逆变电路的开关频率;UCESat——IGBT的导通压降。

　　根据下式和式(1)可以求出外加电感量L：

       (Lm+L1)·(αIOE/n)2/2>(4CS/3+Ct/2)(5)

　　式中:Lm——变压器一次侧励磁电感，n——变压器变比，CS——开关管输出电容;Ct——变压器一次侧绕组电容。

　　3.2控制系统的环路设计

　　开关稳压电源控制系统的结构框图如图3所示。

　　图3开关稳压电源控制系统的结构框图