陳　仲　李夢南　汪　洋

ZVS全橋變換器輔助網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的比較研究

陳仲李夢南汪洋

（南京航空航天大學(xué)江蘇省新能源發(fā)電與電能變換重點實驗室 南京 210016）

ZVS全橋變換器在中大功率變換場合得到了廣泛的應(yīng)用，但傳統(tǒng)的移相全橋變換器同時也存在一些缺點，如軟開關(guān)范圍窄、占空比丟失、二次側(cè)寄生振蕩和環(huán)流損耗大等。針對這些缺點，國內(nèi)外學(xué)者相繼提出了許多改進(jìn)方法。該文針對一些具有代表性的輔助網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行了歸類，結(jié)合特性分析比較了各方案的優(yōu)勢與不足，并提出了一種將自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)與并聯(lián)型無源輔助網(wǎng)絡(luò)結(jié)合后的新型自適應(yīng)輔助網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)所提出的新型變換器拓?fù)?，搭建了一臺原理樣機驗證理論分析的正確性。最后對各加輔助網(wǎng)絡(luò)的變換器優(yōu)缺點進(jìn)行了歸納總結(jié)。

零電壓開關(guān) 全橋變換器 拓?fù)浔容^ 輔助網(wǎng)絡(luò)

0　引言

全橋DC-DC變換器在高輸入電壓、中大功率輸出場合應(yīng)用十分廣泛［1-5］。傳統(tǒng)的移相全橋零電壓開關(guān)變換器利用變壓器漏感和一次側(cè)功率管寄生電容之間的諧振來實現(xiàn)功率管的ZVS。但是傳統(tǒng)的移相全橋變換器性能上還存在不足，如滯后橋臂軟開關(guān)范圍窄、二次側(cè)存在占空比丟失、環(huán)流損耗大及功率變壓器二次側(cè)存在嚴(yán)重的寄生振蕩等。

針對傳統(tǒng)移相全橋變換器以上缺陷，業(yè)內(nèi)很多研究學(xué)者提出了采用輔助網(wǎng)絡(luò)的解決方案［6，7］。一般而言都只是解決了傳統(tǒng)變換器存在的部分缺陷，至今還沒有一個完美的輔助網(wǎng)絡(luò)方案，因此實際應(yīng)用時要視不同場合采用適合的輔助網(wǎng)絡(luò)措施。

常見的輔助網(wǎng)絡(luò)可以分為串聯(lián)型輔助網(wǎng)絡(luò)和并聯(lián)型輔助網(wǎng)絡(luò)。常見串聯(lián)輔助網(wǎng)絡(luò)方案包括一次側(cè)串聯(lián)飽和電感［8］或二次側(cè)串聯(lián)飽和電感［9］、采用諧振電感和鉗位二極管的方案［10］及其改進(jìn)措施［11-14］。飽和電感可拓寬ZVS范圍，減小環(huán)流損耗，但飽和電感發(fā)熱嚴(yán)重，體積大，不利于集成。諧振電感和二極管方案同樣可拓寬ZVS范圍，并很好地抑制二次電壓振蕩，但會造成二次側(cè)更大的占空比丟失。此外，學(xué)者們還提出利用主變壓器的勵磁電流拓寬軟開關(guān)范圍，但這會增加導(dǎo)通損耗［15，16］。

并聯(lián)輔助網(wǎng)絡(luò)又分為并聯(lián)有源輔助網(wǎng)絡(luò)和并聯(lián)無源輔助網(wǎng)絡(luò)。針對滯后橋臂實現(xiàn)零電壓開關(guān)相對較難的問題，可將有源輔助網(wǎng)絡(luò)電路并聯(lián)于滯后橋臂，并在滯后臂換流前開通相應(yīng)開關(guān)管一段時間，使輔助電感儲存一定的能量，用以拓展滯后臂的軟開關(guān)范圍。但是加入的有源輔助網(wǎng)絡(luò)需要提供額外的控制和驅(qū)動電路，這直接提高了系統(tǒng)的復(fù)雜度和成本［17-19］。相比之下，并聯(lián)無源輔助網(wǎng)絡(luò)的電路結(jié)構(gòu)簡單，利于硬件實現(xiàn)，不受開關(guān)頻率的限制［20-23］。以上提到的并聯(lián)型輔助電路方案在不同程度上都改善了全橋變換器的工作條件，但是都存在一個共同的問題，即輔助網(wǎng)絡(luò)幫助實現(xiàn)滯后臂ZVS的能量基本維持不變并且與負(fù)載電流無關(guān)，重載時輔助能量要遠(yuǎn)大于實現(xiàn)滯后臂ZVS所需的能量，多余的輔助能量環(huán)流會降低重載時的變換效率。

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，采用電壓互補網(wǎng)絡(luò)的全橋變換器［24-35］相繼被推出，其輔助能量可隨著負(fù)載自適應(yīng)變化，不僅拓寬了軟開關(guān)范圍，而且不會顯著增加滿載時的導(dǎo)通損耗。在不同的學(xué)者們看來，電壓互補網(wǎng)絡(luò)的具體電路實現(xiàn)方法多種多樣，但主流還是依靠耦合電感及輔助變壓器等磁性元件。

本文對移相全橋變換器的各種輔助網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了歸類，闡述了各類變換器的特點；接著，挑選了一些經(jīng)典的采用輔助網(wǎng)絡(luò)的移相全橋變換器進(jìn)行研究，對其占空比丟失、輔助網(wǎng)絡(luò)提供的輔助電流與損耗等特性進(jìn)行詳細(xì)分析，以期能清晰地解釋電壓互補網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢；隨后根據(jù)所提出的新型變換器，搭建了一臺原理樣機進(jìn)行實驗驗證；最后，歸納出這些輔助網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)缺點。

1　拓?fù)浔容^

1.1串聯(lián)飽和電感方案

飽和電感法最典型的方案是在變壓器一次側(cè)用飽和電感Ls替代線性諧振電感并與主變壓器串聯(lián)［8］，其拓?fù)淙鐖D1a所示。變壓器漏感可盡量取小以減小一次側(cè)的環(huán)流損耗，其主要工作波形如圖1b所示。飽和電感在電源向負(fù)載供電時處于飽和工作狀態(tài)；而在一次側(cè)環(huán)流階段（此時有：ip=Ic）時，則處于線性工作狀態(tài)，從而幫助滯后臂開關(guān)管實現(xiàn)ZVS。該變換器的優(yōu)點是可以在較寬的負(fù)載范圍內(nèi)實現(xiàn)開關(guān)管的零電壓開關(guān)，占空比丟失小，但是飽和電感工作于雙象限，熱應(yīng)力問題較嚴(yán)重。將飽和電感與主變壓器二次繞組串聯(lián)，這樣飽和電感工作限定在第一象限，飽和電感發(fā)熱問題可以得到有效的解決［7］。但是不可避免地在輕載時，由于飽和電感儲能有限，滯后臂ZVS仍然無法實現(xiàn)。

圖1　拓?fù)?一次側(cè)串聯(lián)飽和電感Fig.1　Topology 1 utilizing the saturable inductor

1.2一次側(cè)加鉗位二極管方案

為解決輸出整流二極管存在反向恢復(fù)引起的電壓尖峰和電壓振蕩，Redl等人提出在變壓器一次側(cè)加入一個諧振電感和兩個鉗位二極管［10，11］，很好地消除了二極管上的電壓尖峰和電壓振蕩，降低了輸出整流二極管的電壓應(yīng)力，如圖2所示。但是加鉗位二極管的全橋變換器由于采用較大的諧振電感，導(dǎo)致占空比丟失比較嚴(yán)重，且在輕載情況下，鉗位二極管容易硬關(guān)斷，產(chǎn)生較大的反向恢復(fù)損耗，甚至?xí)p壞鉗位二極管，影響變換器的工作可靠性，為此一些改進(jìn)方案也相繼被提了出來［12-14］。

圖2　拓?fù)?加鉗位二極管Fig.2 Topology 2 using two clamping diodes

1.3滯后臂并聯(lián)有源輔助網(wǎng)絡(luò)方案

這種拓?fù)涫窃趥鹘y(tǒng)全橋變換器的基礎(chǔ)上加入了由輔助電感和兩個輔助開關(guān)管組成的輔助電路［17-19］，如圖3所示。當(dāng)滯后管換流時，輔助電感的電流會與一次電流一起流進(jìn)或流出滯后臂橋臂中點，幫助滯后管實現(xiàn)ZVS。

圖3　拓?fù)?滯后臂并聯(lián)有源輔助網(wǎng)絡(luò)Fig.3　Topology 3 adding active parallel auxiliary network

該變換器可以幫助滯后臂開關(guān)管實現(xiàn)全負(fù)載范圍的ZVS，其不足之處是增加了兩只輔助開關(guān)管及相應(yīng)驅(qū)動電路，增加了拓?fù)涞膹?fù)雜性以及成本。

1.4并聯(lián)LC網(wǎng)絡(luò)方案

為了解決傳統(tǒng)移相全橋存在滯后臂軟開關(guān)范圍窄、超前橋臂在輕載條件下軟開關(guān)條件喪失的問題，P. K. Jain等提出通過在超前橋臂和滯后橋臂均加入LC輔助網(wǎng)絡(luò)，如圖4所示，可以實現(xiàn)在任意輸入電壓下全負(fù)載范圍內(nèi)一次側(cè)所有開關(guān)管的ZVS［20，21］。由于超前橋臂和滯后橋臂實現(xiàn)軟開關(guān)的范圍并不一樣，可以各自選取合適的輔助電感值，不對稱設(shè)計在保證全負(fù)載范圍軟開關(guān)的同時，盡量減小了導(dǎo)通損耗。由于不再依靠漏感中的能量來實現(xiàn)ZVS，可盡量減小漏感以減小其帶來的負(fù)面影響。但是其輔助電流近似恒定，與負(fù)載無關(guān)，在重載時會額外增加一次側(cè)開關(guān)管的電流應(yīng)力，并增加導(dǎo)通損耗，降低變換器效率。

圖4　拓?fù)?并聯(lián)LC輔助網(wǎng)絡(luò)Fig.4　Topology 4 employing LC parallel auxiliary network

1.5自適應(yīng)無源輔助網(wǎng)絡(luò)方案

由于傳統(tǒng)無源輔助網(wǎng)絡(luò)存在以上缺點，Yungtaek等人提出了基于電壓互補思想的無源輔助電路技 術(shù)［24，25］。

圖5a所示是簡化的具有電壓互補性思想的電路，變壓器Tx和Ty都具有其相應(yīng)的輸出部分，Ty的一端接于Tx一次繞組中點，電容Ca串聯(lián)于Ty支路，其取值較大，充當(dāng)電壓源的作用，根據(jù)變壓器伏秒平衡原理可知其電壓近似為Vin/2。圖5b為該簡化電路Tx和Ty一次繞組的工作波形，對管（Q1、Q4和Q2、Q3）導(dǎo)通，Vin加在Tx上，其支路的電流將會上升，Ty上電壓為零，能量儲存在Tx中。平行管（Q1、Q2和Q3、Q4）導(dǎo)通，Tx上電壓為零，由于Ca的影響，Vin/2加在Ty上，其支路的電流將會上升，能量儲存在Ty中。也就是說，在任意時刻，傳遞到輸出端X和Y的能量總以互補的形式出現(xiàn)，即使是在輸出空載的條件下，Tx和Ty兩路中必有一路將儲存一定的能量。

圖5　基于電壓互補思想全橋變換器Fig.5　Based on full bridge converter voltage complementary thought

利用該電路電壓互補性的特點，可以選擇Tx作為主變壓器給負(fù)載提供能量，Ty上的能量用于實現(xiàn)軟開關(guān)，或Ty作為主變壓器給負(fù)載提供能量，Tx上的能量用于實現(xiàn)軟開關(guān)。

1）一種帶耦合電感的自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)

根據(jù)上述思想，Yungtaek等人提出了一族新型的全橋變換器［24，25］，典型的拓?fù)淙鐖D6所示。該變換器兩個輔助電容CB1和CB2分別充當(dāng)兩個電壓源，其穩(wěn)態(tài)電壓值為Vin/2，采用耦合電感作為輔助網(wǎng)絡(luò)接于兩個橋臂中點，用來實現(xiàn)開關(guān)管全負(fù)載范圍內(nèi)的軟開關(guān)。

圖6　拓?fù)?采用耦合電感的自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)Fig.6　An adaptive auxiliary network of topology 5 with coupled inductor

這個拓?fù)涞闹饕枷胧菢虮壑悬c電壓與輔助電路的電壓具有互補性，輔助電路產(chǎn)生的能量幫助實現(xiàn)開關(guān)管的軟開關(guān)。在輸出占空比大時，加在耦合電感上的電壓占空比小，耦合電感儲能?。惠敵稣伎毡刃r，加在耦合電感上的電壓占空比大，耦合電感儲能較大。這樣使得負(fù)載電流與耦合電感儲存的能量具有直接耦合性，電路中用于換流的能量基本維持穩(wěn)定，因此采用該類無源輔助電路的變換器不僅可以實現(xiàn)全負(fù)載范圍的軟開關(guān)，而且儲存在耦合電感中的能量可以隨著負(fù)載的變化而自適應(yīng)的變化，提高了變換器的效率。同時由于無需利用漏感拓展開關(guān)管的軟開關(guān)范圍，因此漏感取值可以大大減小，這樣利于減小一次側(cè)的環(huán)流損耗，同時二次電壓波形也可以得到有效改善。

2）另一種自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)

Borage等人也提出了一種基于無源輔助電路的移相全橋變換器［26］。該變換器采用了兩個輔助電容，一個輔助電感及一個輔助變壓器，如圖7所示。該變換器輔助電感在滿載時存儲的能量最小，并且隨著負(fù)載電流逐漸下降，輔助電感的儲能將逐漸增加。通過采用電壓互補輔助網(wǎng)絡(luò)，不僅可以使變換器一次開關(guān)管在寬負(fù)載范圍內(nèi)實現(xiàn)ZVS，同時在滿載時，提供的輔助電流很小，這樣減小了輔助網(wǎng)絡(luò)對滿載時效率的影響。

圖7　拓?fù)?另一種自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)Fig.7　Another adaptive implementation of the auxiliary network topology 6

3）加鉗位二極管的自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)

Yungtaek等人進(jìn)一步將電壓互補思想應(yīng)用到加鉗位二極管的移相全橋變換器［29］中，如圖8a所示。輔助變壓器兩端電壓與主變壓器兩端電壓互補，通過輔助變壓器（其匝比為na）給輔助電感提供自適應(yīng)的能量，用以實現(xiàn)ZVS。相對于傳統(tǒng)的加鉗位二極管移相全橋變換器，該變換器可以在全負(fù)載范圍內(nèi)實現(xiàn)滯后橋臂的ZVS，并且由于能量自適應(yīng)變化，諧振電感可以取得相對較小值，這樣可以減小占空比的丟失。一次側(cè)的鉗位二極管提供了輔助電流通路，同時起到鉗位二次側(cè)整流二極管電壓尖峰和振蕩的作用，該文獻(xiàn)所采用的控制方式為有限雙極性控制，如圖8b所示。這種拓?fù)涞臉?gòu)思是非常巧妙的，將輔助電路和鉗位有機融合在一起。

圖8　拓?fù)?加鉗位二極管的自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)Fig.8　The adaptive auxiliary network with clamping diodes of topology 7

4）并聯(lián)型自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)

運用對偶原理，在拓?fù)?的基礎(chǔ)上，本文提出了一種將自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)與并聯(lián)型無源輔助網(wǎng)絡(luò)結(jié)合后的新型自適應(yīng)輔助網(wǎng)絡(luò)。圖9給出了其電路拓?fù)浼爸饕ぷ鞑ㄐ危渲休o助變壓器向輔助電感提供自適應(yīng)的輔助能量。利用這種方法，使得流過主變壓器一次側(cè)的輔助電流很小，且不影響主變壓器的工作。輔助電感只是向滯后臂提供實現(xiàn)ZVS的能量，如果需要也可以單獨在超前臂并聯(lián)同樣的輔助電路。由于添加了輔助電路，主變壓器的漏感可以取得很小值，從而占空比丟失及寄生振蕩問題得到抑制。

圖9　拓?fù)?本文提出的新型變換器Fig.9　The proposed topology of topology 8

2　特性分析與對比

本節(jié)對帶輔助網(wǎng)絡(luò)的移相全橋變換器進(jìn)行研究和比較。為了便于分析，定義以下參數(shù)：Coss表示開關(guān)管結(jié)電容，Td表示滯后臂死區(qū)時間，Ts表示開關(guān)周期，Vin表示輸入電壓，Lr表示諧振電感，Io表示輸出電流，Ip表示一次電流，La表示輔助電感，Ia表示輔助電流。

存儲在諧振電感中的能量必須能夠?qū)﹂_關(guān)管的結(jié)電容進(jìn)行充放電。為了能夠?qū)崿F(xiàn)ZVS，其需要的最小能量為

此時的死區(qū)時間為

對于并聯(lián)輔助電感，在給結(jié)電容充放電過程中電流幅值變化很小，可以視為恒流源。為了能夠給結(jié)電容充分放電，所需的最小電荷量為

因此，死區(qū)時間固定的情況下，能否實現(xiàn)ZVS與輔助電流的幅值密切相關(guān)。在死區(qū)時間Td內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)ZVS的最小電流值為

2.1占空比丟失

采用串聯(lián)輔助網(wǎng)絡(luò)的移相全橋變換器通過串聯(lián)的諧振電感來實現(xiàn)軟開關(guān)，通常此諧振電感取值較大，以保證寬負(fù)載范圍的軟開關(guān)，同時會導(dǎo)致較大的占空比丟失。因此，在設(shè)計諧振電感的時候必須折衷考慮ZVS范圍以及占空比丟失。

對于拓?fù)?，通常飽和電感飽和時的電流Ic與實現(xiàn)ZVS所需的最小電流可以設(shè)置相等。根據(jù)圖1b，占空比丟失可以表示為

式中，Llinear是飽和電感未飽和時的感值。

對于拓?fù)?，由于一次電流通常遠(yuǎn)大于Ic，占空比丟失會比較大。其占空比丟失可以表示為

類似地，拓?fù)?的占空比丟失可以表示為

看起來拓?fù)?的占空比丟失和拓?fù)?類似。但是應(yīng)該注意到，拓?fù)?諧振電感中流過的電流近似恒定，因此拓?fù)?中的諧振電感值要遠(yuǎn)小于拓?fù)?中的電感值。Lr（2）與Lr（7）的關(guān)系可以寫成［29］

例如，對拓?fù)?來說，想要在50%以上負(fù)載實現(xiàn)ZVS，所需的諧振電感值Lr（2）是Lr(7）的4倍。

而通過采用并聯(lián)輔助網(wǎng)絡(luò)，諧振電感可以取得較小，因此占空比丟失幾乎可以忽略。表1列出了拓?fù)?～拓?fù)?的占空比丟失。

由于Lr（2）太大會引起嚴(yán)重的占空比丟失，通常Llinear可以設(shè)計的比Lr（2）大。我們可以看出，在輕載時，拓?fù)?的占空比丟失比拓?fù)?要大，但是由于此時一次電流很小，占空比丟失并不嚴(yán)重。拓?fù)?的占空比丟失會隨著負(fù)載電流的增加而線性增加，而拓?fù)?的占空比丟失保持不變。

另外，根據(jù)式（8），Lr（2）要遠(yuǎn)大于Lr（7），因此，拓?fù)?的占空比丟失也比拓?fù)?的占空比丟失要大。

假設(shè)Llinear=2Lr（2）并且Lr=4Lr（7），可以畫出拓?fù)?、2和7的占空比丟失隨著負(fù)載變化的曲線如圖10所示。從圖中可以看出，在重載時，拓?fù)?的占空比丟失尤為嚴(yán)重，而拓?fù)?和7的占空比丟失基本維持不變。

2.2輔助能量與輔助電流

對于拓?fù)?，當(dāng)漏感很小并且一次電流較大時，輔助電流等于Ic；而當(dāng)一次電流小于Ic時，輔助電流與一次電流相等；當(dāng)電路工作在電流斷續(xù)模式時， 輔助電流為零。在拓?fù)?中，輔助電流即為一次電流與自適應(yīng)輔助電流之和。通過合理的設(shè)計輔助網(wǎng)絡(luò)，諧振電感中的能量在整個負(fù)載范圍內(nèi)近似恒定不變，表1中列出了拓?fù)?～拓?fù)?的輔助電流值。

圖10　占空比丟失隨負(fù)載變化曲線Fig.10　The duty cycle loss of series auxiliary network vs. load

表1　占空比丟失、輔助電流及滯后臂電流有效值比較Tab.1 Comparison of duty cycle loss， auxiliary current and lagging-leg current

而對于采用串聯(lián)輔助網(wǎng)絡(luò)的移相全橋變換器，用于實現(xiàn)ZVS的輔助能量應(yīng)當(dāng)近似不變。這樣，我們可以在圖11中畫出最小的輔助能量Emin以及拓?fù)?、拓?fù)?和拓?fù)?中的輔助能量隨著負(fù)載電流變化的曲線，當(dāng)輔助能量小于Emin時，將無法實現(xiàn)ZVS。因此，拓?fù)?、拓?fù)?在輕載時將無法實現(xiàn)ZVS，而拓?fù)?的滯后臂開關(guān)管則可以在全負(fù)載范圍內(nèi)實現(xiàn)ZVS。

對于采用并聯(lián)輔助網(wǎng)絡(luò)的移相全橋變換器，漏感在重載時儲存了大量能量，這些能量足夠用來實現(xiàn)ZVS。因此，在重載時，并聯(lián)輔助網(wǎng)絡(luò)只需要提供很小的輔助電流，甚至不需要提供輔助電流，由于漏感取值通常較小，假設(shè)漏感中的能量在75%負(fù)載以上可以實現(xiàn)ZVS，隨著負(fù)載電流逐步下降，輔助網(wǎng)絡(luò)也需要提供更多的輔助電流。當(dāng)電路工作在電流斷續(xù)模式時，實現(xiàn)ZVS的電流完全由輔助網(wǎng)絡(luò)提供，因此輔助電流在電流斷續(xù)模式時保持不變。

根據(jù)以上分析，在不同負(fù)載條件下輔助網(wǎng)絡(luò)需要提供的輔助電流可以在圖12中繪制出來。

對于拓?fù)?、拓?fù)?，輔助電流與負(fù)載無關(guān)，輔助電流保持不變；而對于拓?fù)?、拓?fù)?，輔助電流會隨著負(fù)載上升而下降，在不同負(fù)載下需要提供的輔助電流如圖12所示。從圖12中我們可以看出，對于拓?fù)?、拓?fù)?，如果保證在輕載下實現(xiàn)ZVS，其輔助電流必須大于輕載時所需的最小輔助電流，而自適應(yīng)輔助網(wǎng)絡(luò)提供的電流與理想的輔助電流曲線更為接近。

圖11　串聯(lián)輔助網(wǎng)絡(luò)輔助能量與理想輔助能量Fig.11　The auxiliary energy of series auxiliary network vs. load

圖12　并聯(lián)輔助網(wǎng)絡(luò)輔助電流與理想輔助電流Fig.12　The auxiliary current of the parallel auxiliary network vs. load

2.3導(dǎo)通損耗與環(huán)流損耗

采用串聯(lián)輔助網(wǎng)絡(luò)不會增加導(dǎo)通損耗，而由于串聯(lián)輔助網(wǎng)絡(luò)輔助電感通常較大，一次電流下降速率較低，這會造成較大的環(huán)流損耗。

采用并聯(lián)輔助網(wǎng)絡(luò)，流經(jīng)開關(guān)管的電流會增大，這會導(dǎo)致較多的導(dǎo)通損耗，而由于漏感很小，在環(huán)流階段電流下降很快，環(huán)流損耗較小。對于拓?fù)?、拓?fù)?，輔助電流恒定，這在重載時會導(dǎo)致較多的導(dǎo)通損耗。然而，通過采用自適應(yīng)輔助網(wǎng)絡(luò)，重載時輔助電流較小，這樣不會引起過多的導(dǎo)通損耗。

表1中列出了流經(jīng)滯后臂開關(guān)管電流的有效值IRMS。根據(jù)表1中結(jié)果，拓?fù)?、拓?fù)?的一次電流有效值約為Ip。另外，對于拓?fù)?，輔助電流持續(xù)的時間很短，拓?fù)?的一次電流有效值略大于Ip。由于拓?fù)?輔助電流恒定，而拓?fù)?、拓?fù)?和拓?fù)?輔助電流隨著負(fù)載增加而降低，拓?fù)?的一次電流有效值在重載時要大于拓?fù)?、拓?fù)?和拓?fù)?。

滯后臂兩只開關(guān)管的導(dǎo)通損耗可以由下式計算得到

式中，Rds（on）為開關(guān)管的導(dǎo)通損耗。

2.4ZVS范圍

如果輔助能量/電流達(dá)到所需的最小能量/電流，那么開關(guān)管可以實現(xiàn)ZVS，從圖11和圖12中可以看出?？傮w來說，采用并聯(lián)輔助網(wǎng)絡(luò)的全橋變換器通過合理地選取輔助電感值，可以實現(xiàn)全負(fù)載范圍ZVS。而采用串聯(lián)輔助網(wǎng)絡(luò)的移相全橋變換器，輕載下難以實現(xiàn)ZVS，諧振電感選取過大則會帶來嚴(yán)重的占空比丟失，因此必須折中處理。

2.5寄生振蕩

二極管的反向恢復(fù)會引起較大的功率損耗。寄生振蕩主要由于一次側(cè)串聯(lián)電感和整流二極管的結(jié)電容的諧振引起。拓?fù)?中的寄生振蕩依然較為嚴(yán)重，而采用并聯(lián)輔助網(wǎng)絡(luò)的移相全橋變換器，由于其漏感較小，其寄生振蕩也得到了有效的抑制。

表2對文中提到的各典型拓?fù)涞奶攸c進(jìn)行了對比與總結(jié)。

表2　各拓?fù)湫阅軐Ρ萒ab.2　Characteristic comparison of each topology

3　實驗驗證

為了驗證拓?fù)?的工作特性，在實驗室搭建了一臺1kW/54V的原理樣機，實驗的具體參數(shù)為：輸入直流電壓Vin=300～400V，輸出整流二極管VDR1和VDR2為MUR3040PT，主變壓器匝比K為14∶3∶3，漏感Lk=7μH，輔助變壓器匝比na為5∶1，輔助電感與輔助電容分別為14μH和2.2μF，輔助二極管為C3D10060A。

圖13a給出了輕載條件下滯后臂的ZVS波形?？梢钥闯?，在驅(qū)動電壓上升到閾值電壓前，滯后臂 開關(guān)漏源極電壓已經(jīng)下降到零。在輸入電壓400V，10%負(fù)載條件下滯后臂實現(xiàn)了ZVS，圖13b給出了拓?fù)?所示變換器在輸入電壓400V，10%負(fù)載條件下的主要工作波形?？梢钥闯?，與變壓器一次電壓vAB互補的電壓v2在環(huán)流階段建立，輔助電流在環(huán)流階段逐漸增加，這利于滯后橋臂開關(guān)管ZVS的 實現(xiàn)。

圖13　新型變換器的實驗波形Fig.13　Experimental waveforms of proposed topology

4　結(jié)論

本文對全橋DC-DC變換器輔助網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了介紹與歸納，分別闡述了串聯(lián)輔助網(wǎng)絡(luò)及并聯(lián)輔助網(wǎng)絡(luò)的特點，揭示了其生成規(guī)律，提出了一種新方案并通過了實驗驗證。針對采用自適應(yīng)輔助網(wǎng)絡(luò)的移相全橋變換器作了進(jìn)一步比較，對各輔助網(wǎng)絡(luò)的占空比丟失、輔助電流幅值及滯后臂電流有效值等進(jìn)行了定量的特性分析。在此基礎(chǔ)上，繪制了各輔助網(wǎng)絡(luò)在不同負(fù)載條件下的輔助能量電流曲線，直觀地反應(yīng)了各輔助網(wǎng)絡(luò)的性能。相比之下，自適應(yīng)輔助網(wǎng)絡(luò)具有更多優(yōu)勢。最后文中對提到的采用輔助網(wǎng)絡(luò)的移相全橋變換器從多個方面作了綜合性能評估，并列表總結(jié)出各方案的優(yōu)缺點。

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陳 仲 男，1975年生，博士，副教授，研究方向為電力電子理論與技術(shù)。

李夢南 女，1990年生，碩士研究生，研究方向為軟開關(guān)功率變換器。

Comparison Study on Auxiliary Network Techniques of Zero Voltage Switching Full Bridge Converter

Chen Zhong Li Mengnan Wang Yang
（Jiangsu Key Laboratory of New Energy Generation and Power Conversion Nanjing University of Aeronautics and Astronautics Nanjing 210016 China）

The phase-shifted full-bridge zero voltage switching （ZVS） DC-DC converter is widely adopted in industry applications. But it has some shortcomings， such as narrow ZVS range， excessive duty cycle loss， severe parasitic oscillation， and large circulating loss and so on. Some improved methods were proposed to solve such shortcomings. In this paper， several auxiliary networks were classified hence the key performances of these topologies were analyzed and compared. Moreover， a new auxiliary network was proposed， combined with adaptive network and parallel passive auxiliary network. And then， the prototype of the proposed converter was built. Finally， the advantages and disadvantages of these auxiliary networks were summarized.

Zero voltage switching， full-bridge converter， topology comparison， auxiliary network

TM46

國家自然科學(xué)基金（51377078），江蘇省“六大人才高峰”資助項目（2014-JNHB024）和臺達(dá)環(huán)境與教育基金會《電力電子科教發(fā)展計劃》（DREG2012002）項目資助。

2013-11-18 改稿日期 2013-12-19