移相全桥ZVS 及ZVZCS 的拓扑结构分析

1. 引言

移相控制方式是控制型软开关技术在全开关PWM 拓扑的两态开关模式（通态和断态）通过控制方法变为三态开关工作模式（通态断态和续流态），在续流态中实现开关管的软开关。全桥移相ZVS-PWM DC/DC 变换拓扑自出现以来，得到了广泛应用，其有如下优点：

●充分利用电路中的寄生参数（开关管的输出寄生电容和高频变压器的漏感，实现有源开关器件的零电压开关）

●功率拓扑结构简单

●功率半导体器体的低电压应力和电流应力

●频率固定

●移相控制电路简单

全桥移相电路具有以上优点，但也依然存在如下缺点：

●占空比丢失

●变压器原边串联电感和副边整流二极管寄生电容振荡

●拓扑只能在轻载到满载的负载范围内，实现零电压软开关

目前该拓扑的研究及成果主要集中在以下方面

●减小副边二极管上的电压振荡

●减少拓扑占空比丢失

●增大拓扑零电压软开关的负载适应范围

●循环电流的减小和系统通态损耗的降低

2. 典型的zvs 电路拓扑

2.1 原边串联电感电路

为了实现滞后桥臂的零电压，一般在原边串联电感（如图1 所示）。增大变压器漏感，以增加用来对开关输出电容放电能量。该电路具有较大的循环能量，变换器的导通损耗较大，且增大了占空比的丢失。

在实现滞后桥臂的同时，为了进一步扩大负载范围，可在原边上再串联上一饱和电感，该电路可减小占空比的损失和减小变压器副边的寄生振荡，但是饱和电感工作在正、负饱和值之间，而且频率很高，使得饱和电感的损耗较大，在低的输入电压情况下会引起较为严重的副边占空比丢失。

2.2 原边串联二极管钳位电路及其改进电路

上述电路虽然实现了全桥移相电路的ZVS，但是并没有很好地解决输出整流二级管在反向恢复过程中的电压尖峰问题，基于此有文章提出了钳位电路（如图2）

该电路在变压器原边增加一个谐振电感和两个钳位二级管，消除了输出整流管上的电压尖峰和电压振荡，从而省去了吸收电路，可以选择低压的整流管，该电路的主要缺点是：

1）在原边电压为0 时，谐振电感被钳位二极管短路，其电流保持不变，在电感钳位二极管和开关管中产生较大的导通损耗；

2）增加了钳位二极管的电流有效值和关断损耗；

3）为了防止直流偏磁，一般采用隔直电容与变压器或谐振电感串联，但隔直电容上的直流分量会导致变压器原边电流或谐振电感电流不对称，影响变换器的可靠工作。

上述电路的拓扑改进，把谐振电感和变压器互换位置，使钳位二极管在一个周期内只导通1 次，降低了钳位二极管有效值，降低了导通损耗，进一步提高了变换器效率。

2.3 副边RCD 钳位电路拓扑

图2 及其改进拓扑者是在原边加钳位二极管。另一种方法是在副边加钳位电路。图3就是一改进的副边RCD 钳位电路拓扑，该电路能有效抑制副边管的电压过冲，同时导通损耗也较低，主要缺点是吸收电路损耗大，降低了变换器的效率。

2.4 加辅助谐振网络电路拓扑

为了能使全桥变换电路能够工作在更大的负载范围。下面给出了一种新颖的变换器拓扑（如图4）

在1 图的基础上加入一个辅助谐振网络，其拓扑具有以下特点：

1）在任意负载和输入电压范围内实现零电压开关

2）占空比丢失减小到近似接近于0

3）电路的电感、电容、二极管的电流、电压应力很小，且与负载无关。

2.5 一种新型的ZVS 变换器拓扑及其派生电路

下面给出一种新型的变换器拓扑及其派生电路。全桥变频电路（如图5）

提出了一种解决耗能储备与辅助电路能量之间矛盾的方法，并给出了其派生电路（如图6）。

该电路能在宽负载范围和输入电压范围内实现ZVS，实现ZVS 条件所需能量不仅取决于输入电压而且取决于负载，使电路在空载时也有较大能量实现ZVS。但该拓扑引入了辅助电源，电路复杂程度有所增加。

3. ZVZCS 典型拓扑  

以上电路采用的电源开关器件一般都选择功率MOSFET，而MOSFET 的导通损耗较大。若采用IGBT 作为开关器件，可减小开关损耗，但同时IGBT 有关断拖尾电流，为降低关断拖尾电流带来的关断损耗，就必须在开关管上并联大的吸收电容，这样，将导致滞后臂难以实现零电压开关，即降低软开关的适用范围，为了保证超前桥臂臂软开关负载适应范围不变，大的并联电容必将增大桥臂开关管之间的死区电压，从而减小拓扑工作的最大占空比，因此适应IGBT 应用的零电压，零电流（ZVZCS PWM）变换器随之发展起来。ZVZCS 的典型拓扑有如下几种。

3.1 原边串联饱和电感拓扑

如图7 所示，变换器拓扑的特点是在原边串联饱和电感，当阻断电容上的电压使原边电流复位到零以后，饱和电感退出饱和，它在一小段时间内将电流钳在零位，使滞后桥臂开关实现零电流关断但是饱和电感工作在正、负饱和值之间，而且频率很高，使得饱和电感的损耗较大。在低输入电压时会引起较为严重的副边占空比丢失。

3.2 副边加有源钳位电路

在图8 中，该拓扑的变压器副边采用有源箱位方式，在原边续流阶段，副边开关管开通，将钳位电压反射到原边，使原边电流下降到0。提供零电流条件，该电路能在较大范围内实现零电压，零电流开关，丢失的占空比较小，但同时副边开关管工作在硬开关状态，降低了输出效率。

3.3 副边加无源钳位电路

在图9 中，副边采用能量恢复缓冲。在零状态时，VAB 存储在阻断电容上能量传送给负载。该拓扑副边无有源开关，从而降低了变换器的成本和控制的复杂性，同时该电路也有较明显的缺点；零状态时，阻断电容放电，滞后臂开通后，由于对阻断电容的充电，原边会产生较大的电流尖峰；超前桥臂较难开通。图10 原边电流的复位方式与图9 相似，副边相对复杂。

3.4 原边串联二极管电路拓扑

在图11 中的变换器引入了两个串联二极管。该变换器的阻断电容串联在负载中而不是并联在负载中。当超前桥臂开通时，不会产生过大的电流尖峰。在超前桥臂的开关死区时间内，储存在漏感和输出滤波电感的能量使超前桥臂容易实现ZVS，可在任意负载范围实现滞后臂的ZCS。但该变换器原边侧的通态损耗有所增加，且串联的二极管在关断时还会有一定的反向恢复电流，引起高频振荡。

3.5 副边加耦合电感电路

在图12 中，变压器辅助电路位于二次侧，绕组Ld1 与Ld2 耦合，当超前桥臂关断时Ld1 续流，Ld2 两端电压极性变产生变化。当副边电压下降到一定程度，VD 导通。Ld2 参与续流，此时，感应电势反射到原边构成反向阻断电压源使原边电流ip 迅速下降至零，实现ZCS。该电路结构相对简单，具有较好的通用性。

4. 结语

全桥移相电路发展到现在，出现了众多的电路拓扑，拓扑的改进主要基于占空比，二次侧尖峰电流、负载的适应范围及变换器效率几个方面。随着拓扑的进一步优化，许多问题都得到了解决，但各个拓扑也各自存在不足之处。在实际使用的过程中要综合考虑各方面因素。针对侧重点的不同，选取合适的电路拓扑。