ZVT－PWM移相軟開關通信基礎--電源模塊的設計

摘要：簡單介紹ZVT—PWM移相軟開關變換電路的原理及特點，研究采用移相全橋ZVT－PWM軟開關變換電路的設計方法，并給出通信基礎開關電源整流模塊的設計實例及試驗結果。

關鍵詞：開關電源脈寬調制移相全橋ZVT軟開關通信電源IGBT

Design on the Communication Basic Power Supplies Module Controlled

by Phase Shifted－ type ZVT－ PWM Soft－ switch Technique

Abstract:This paper analyses the principle and characteristic of the ZVT soft－ switch type converter.The design method on the ZVT soft－ switch type power supplies is researched.As a example,the switch－ type power supplies used in communication and it's test result are given.

Keywords:Switch－ type power supplies PWM Phase shifted full bridge ZVT－ soft－ switch Communication power supplies IGBT

1引言

　　隨著電力電子器件從晶閘管（SCR）到大功率晶體管（GTR），再發(fā)展到VMOSFET和IGBT等，功率變換技術也經(jīng)歷了從負載諧振變換到硬開關PWM，再到雙零開關和雙零變換的發(fā)展過程。雙零變換技術包括零電壓變換（ZVT）和零電流變換（ZCT）兩種，它們的基本工作原理是采用輔助開關管與諧振電路共同配合主開關管工作，使其分別實現(xiàn)零電壓開關（ZVS）或零電流開關（ZCS），是真正意義上的定頻軟開關PWM變換，具有定頻PWM變換和軟開關變換的共同優(yōu)點，所以雙零變換技術是功率變換技術的發(fā)展趨勢之一。

2移相全橋ZVT軟開關變換技術

　　雙零變換技術中，ZVT變換技術應用比較普遍，主要用于高頻有源PFC和DC/DC變換電路。ZVT變換的基本工作原理是輔助開關管與諧振電路共同工作，使主開關管實現(xiàn)零電壓開關。

　　ZVT變換技術的主要優(yōu)點有：

　?。?）定頻PWM變換，與以調頻形式工作的ZVS變換相比，變壓器和濾波電抗器的設計比較容易，利用率也比較高；

　　（2）在主開關管開通和關斷的過程中，采用部分諧振技術，實現(xiàn)軟開關變換，大大降低了開關損耗，提高了工作效率；

　　（3）主開關管導通時流過的電流和關斷時承受的電壓與硬開關PWM變換相近，比雙零開關變換成本低，可靠性高；

　?。?）軟開關變換，電磁干擾（EMI）小。

圖1移相全橋變換電路

　　ZVT變換技術典型的應用是移相控制的全橋式變換電路，其基本電路如圖1所示。

　　VDA、VDB、VDC、VDD分別是開關管VA、VB、VC、VD（這里以IGBT為例）的等效反并聯(lián)體二極管；CA、CB、CC、CD分別是VA、VB、VC、VD的等效輸出電容（結電容）；L1為一次側電路引線電感LX、變壓器一次側繞組漏感LL和外加電感L之和，即

圖2移相PWM控制波形

L1=LX＋LL＋L（1）

　　開關管采用移相式PWM控制方式，控制波形見圖2。

　　由此可見，移相全橋變換電路四個開關管既為主開關管，又互為輔助開關管，既不增加開關管數(shù)量，又吸收了分布參數(shù)作諧振電路參數(shù)，實現(xiàn)零電壓轉換[1]。

3ZVT軟開關變換電路中的應用設計

　　移相全橋ZVT軟開關變換電路可以用于設計許多類型的開關電源變換裝置，設計方法和過程都是相似的。由于主電路確定為全橋式逆變電路，集成控制芯片一般選UCX875～79或者ML4148，所以最主要的設計內容歸結為兩點：一是根據(jù)散熱平衡優(yōu)化設計ZVT軟開關變換諧振參數(shù)，二是控制系統(tǒng)的環(huán)路設計。

3．1ZVT軟開關變換諧振參數(shù)的優(yōu)化設計

　　主電路諧振電感量L1是決定能否實現(xiàn)零電壓轉換的關鍵。L1太小，在負載較小時，雖然超前橋臂開關管比較容易實現(xiàn)ZVT，但是由于環(huán)流不能維持到滯后橋臂開關狀態(tài)的轉換時刻，使滯后橋臂不能實現(xiàn)ZVT[1]。但是，L1過大，會限制最大占空比，并會降低功率因數(shù)。負載很輕時，電流不太大，即使是硬開關狀態(tài)，開關損耗也不會太大。另外，開關管的通態(tài)損耗也隨電流的變化而變化，對于IGBT管，管壓降為UCES，應按照滿載時設計散熱條件。因此，使滯后橋臂實現(xiàn)ZVT的最小負載電流優(yōu)化的原則應該是：當電流下降到αIOE時，滯后橋臂上兩只開關管的開關損耗的增加量Pon－offr等于所有四只開關管的通態(tài)損耗的減少量PONf，不變的散熱條件，使得開關管的結溫仍然保持原來的水平，由文獻[2]可知，Pon－offr和PONf可以分別由式（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的開通時間，toff——IGBT的關斷時間；fS——逆變電路的開關頻率；UCESat——IGBT的導通壓降。

　　根據(jù)下式和式（1）可以求出外加電感量L：(Lm＋L1)·(αIOE/n)2/2>（4CS/3＋Ct/2）(5)

式中:Lm——變壓器一次側勵磁電感，n——變壓器變比，CS——開關管輸出電容；Ct——變壓器一次側繞組電容。