小電流紋波的ZVZCS全橋PWM變換器研究

摘要：為了減小輸出電流的紋波，在傳統的全橋移相零電壓零電流(ZVZCS)-PWM變換器的基礎上設計了一種優化的變換器。通過在次級引入一個輔助電路，既能使超前臂實現ZVS，滯后臂實現ZCS，又能減小輸出電流紋波。輔助電路中無損耗元件和有源開關，能克服傳統變換器的缺點。該電路具有高效率，低損耗，小電流紋波和能帶大功率負載的優點。根據電路特征和設計要求，選擇采用2．5 kW，100 kHz的IGBT作為基本元件研制了一臺實驗樣機，并驗證了該理論的正確性。
關鍵詞：變換器；零電壓零電流開關；電流紋波；移相全橋

1 引言
為了在高頻電路中使用IGBT，提出了ZVZCS全橋PWM變換器。ZVZCS由超前臂和滯后臂構成，超前臂實現了ZVS，滯后臂實現了ZCS。針對電流紋波會帶來很多弊端的問題，通過在變壓器次級引入一個輔助電路，不但滿足了ZVZCS的初始條件，還減小了電流紋波。為了能更好地實現zCS，采用在滯后臂串聯二極管的方法。優化電路的優點是沒有有損元件和外部電源，可減小能量的消耗并保證系統總的工作效率。此外，沒有大的能量流通且無二次寄生響應生成。

2 工作原理與設計
圖1示出優化電路的拓撲。該拓撲在傳統變換器的基礎上加了一個輔助電路并在滯后臂串聯二極管來實現其功能。假設除特別指定元件，所有電阻、電感、電容和變壓器均為理想元件。

該電路在半個周期內共有8個工作狀態，其工作原理簡述如下：
[t0～t1]階段 t0之前，VS2零電流開通。t0時刻，VS1和VS2導通，箝位電容Cc上的電壓uCc由于漏感的諧振從零開始增大。由耦合電感、Cc和二極管VDb組成的回路可保持對Cc持續充電，所以使得uCc=2uLo。加大uCc能更有效地加快初級電流ip的下降速度，并起到箝位電壓的作用。Cr使得次級整流二極管上漏感和節點電容沒有產生寄生響應。初級電壓uab、電流ip，次級電壓uCc、電流iC分別為：

[t1～t2]階段 uCc保持是Lo兩端電壓的兩倍。uab和ip保持不變，uab(t)=Uin，ip(t)=nIo。
[t2～t3]階段 VS1關斷，ip對C1充電，C3放電。uab減小，uCc按照n2／n1比率下降。uab線性下降，uab(t)=Uin-nIot／(C1+C3)，ip(t)=nIo。
[t3～t4]階段 當整流電壓等于uCc時，VDc導通，Cc維持整流電壓，整流側電壓減小速度比初級慢。LIK儲存的能量保持C1充電，C3放電(設Cc>>C1，C3)，故uab仍按照原始速率減小。該模式結束時，ip和uCc定義為iα，uα。
[t4～t5]階段 C3放電結束，二極管VD3導通，然后VS3開通，此時實現了ZVS。次級漏感電流和ip迅速下降，Cc提供能量。ip降至零時，整流側電壓定義為μβ。

[t5～t6]階段 ip被重置，整個初級側電路沒有電流流過。Cc提供整個電路的電流，因此整流電壓下降得很快。uCc(t)=-Iot／Cc+uβ。
[t6～t7]階段 VD2阻斷了ip反向環流，使得ip保持為零，這為滯后臂實現ZCS提供了十分必要的先決條件。Cc放電完畢，整流二極管全部導通，Lo提供整個回路的能量。該周期結束，VS2關斷，完成ZCS過程。
[t7～t8]階段 經VS2，VS4死區時間后，VS4實現ZCS，這是因為漏感限制了ip上升速度，令其不能突變。ip線性增加，整流電壓為零。這是上半個工作周期，后半個工作周期與之相似。