1. 引言

移相全橋作為大功率DC/DC變換器的首選在很多場合得到應用，比如通訊系統(tǒng)中的應用將高壓400VDC轉(zhuǎn)換為12V。移相全橋之所以如此廣泛的應用，是因為其利用變壓器漏感與原邊開關管的寄生電容發(fā)生諧振實現(xiàn)開關管的軟開關，可大大提高變換器的工作效率。

但傳統(tǒng)的移相全橋變換器又有著各種各樣的缺陷，比如滯后臂不易實現(xiàn)ZVS，占空比丟失等等。本文針對移相全橋變換器的工作原理進行了研究與總結(jié)，且重點闡述了滯后橋臂的ZVS實現(xiàn)條件和占空比丟失問題。

2. 移相全橋變換器工作原理分析

圖1為移相全橋變換器的電路示意圖，由4個主功率器件Q1~Q4以及反并聯(lián)二極管和寄生電容構(gòu)成全橋橋臂，通過變壓器(含有漏電感以及外掛諧振電感L r )和整流電路連接構(gòu)成全橋變換器。兩個橋臂的上下開關管180°互補導通，橋臂之間通過調(diào)節(jié)移相角來調(diào)節(jié)輸出電壓，該移相角的調(diào)節(jié)也是實現(xiàn)軟開關的基礎。

(a)主電路

(b)主要波形

圖1 移相全橋主電路及主要波形

2.1 傳統(tǒng)移相全橋變換器的工作過程分析

上圖是移相全橋拓撲圖，各個元件的意義如下：

Vin：輸入的直流電源

Q 1 -Q 4 ：4個主開關管，一般是MOSFET

Q 1 ，Q3稱為超前臂開關管，Q 2 ，Q4稱為滯后臂開關管

C 1 -C 4 ：4個開關管的寄生電容或外加諧振電容

D 1 -D 4 ：4個開關管的寄生二極管或外加續(xù)流二極管

D R1 ， D R2 ：電源次級高頻整流二極管

T R ：移相全橋電源變壓器

L r ：變壓器原邊漏感或原邊漏感與外加電感之和

L f ：移相全橋電源次級輸出續(xù)流電感

C f ：移相全橋電源次級輸出電容

因為是做理論分析，所以要將一些器件的特性理想化，具體如下：

1、假設所有的開關管、二極管為理想元件。

2、所有的電感，電容都為理想元件，不存在寄生參數(shù)，變壓器也為理想變壓器，諧振電感是外加的。

3、超前橋臂與滯后的諧振電容都相等，即C 1 =C 3 =C lead ，C 2 =C 4 =C lag 。

4、次級濾波電感通過匝比折算到初級的電感量LS遠大于諧振電感L r，即L S =L f *K ^2^ >>Lr 。

PSFB一個周期可以分為12中工作模態(tài)，其中正負半周期是對應的關系，只不過改變的是電流在橋臂上的流向，下面我們首先來分析這12個工作模態(tài)的情況。

1. t0時刻，如圖2a

在t0時刻之前，Q1與Q4同時導通，原邊電流的流向是Q 1 -L p -L r -Q 4 ，最后回到電源負。副邊電流回路是：副邊上邊的繞組正端，整流管D R1 ，輸出濾波電感L f 、輸出濾波電容Cf和負載，回到上面副邊繞組的負端。

2. t 0~~t1~時刻，如圖2b

此時超前橋臂上管Q1在t0時刻關斷，但由于電感兩端電流不能突變的特性，變壓器原邊的電流仍然需要維持原來的方向，故電流被轉(zhuǎn)移到C1與C3中，C1被充電，而C3開始放電。由于C1和C 3 ，Q1零電壓關斷。濾波電感Lf 與諧振電感Lr串聯(lián)，且Lf很大，故基本可以認為此時的原邊類似一個恒流源，此時的ip基本不變，或下降很小。

在t1時刻，C1上的電壓很快上升到V in ，C3上的電壓很快變成0V，D2開始導通。

該模態(tài)的時間為

3. t 1~~t2~時刻，如圖2c

此時二極管D3已經(jīng)完全導通續(xù)流，將超前臂下管Q3兩端的電壓鉗位到0V，此時將Q3打開，就實現(xiàn)了超前臂下管Q3的ZVS開通；但此時的原邊電流仍然是從D3走，而不是Q 3 。

此時原邊的電流仍然較大，等于副邊電感Lf的電流折算到原邊的即

從超前臂Q1關斷到Q3打開這段時間t d ，稱為超前臂死區(qū)時間，為保證滿足Q3的ZVS開通條件，就必須讓C3放電到0V，即

圖2a 圖2b

圖2c 圖2d

圖2e 圖2f

圖2g

4. t 2~~t3~時刻，如圖2d

在t2時刻將滯后臂下管Q4關斷，在Q4關斷前，C4兩端的電壓為0，所以Q4是零電壓關斷。

由于Q4的關斷，原邊電流ip突然失去通路，但由電感的原理我們知道，原邊電流不允許突變，需要維持原來的方向，以一定的速率減少。所以，原邊電流ip會對C4充電，使C4兩端的電壓慢慢往上升，同時抽走C2兩端的電荷。此時，vAB =-vc4 ，vAB的極性自0變?yōu)樨?，變壓器副邊繞組電勢變?yōu)橄抡县摚鞫O管DR2導通，副邊的下繞組開始流過電流，整流二極管DR1和DR2同時導通，使得變壓器副邊繞組電壓為0，原邊繞組也為0，vAB加在諧振電感Lr上。因此，這段時間里是Lr 和C 2 、C4諧振工作，ip 和電容C 2 、C4的電壓分別為

其中，I 2 ：t~2 ~時刻，原邊電流下降之后的電流值

Z 1 ：滯后臂的諧振阻抗,

ω 1 ：滯后臂的諧振角頻率，

在t3時刻，當C4的電壓升到V in ，D2自然導通，結(jié)束這一模態(tài)。持續(xù)時間為

5. t 3~~t4~時刻，如圖2e

當C4充電到Vin之后，諧振結(jié)束，就不再有電流流過C 2 ，C 4 ，轉(zhuǎn)而D2自然導通，原邊電流通過D 3 -L r -D2向電網(wǎng)饋能，由于副邊兩個整流二極管同時導通，變壓器原邊繞組電壓仍為0，向電網(wǎng)回饋的能量來源于儲存在Lr中的能量，此時原邊電流迅速減少，

在t4時刻ip減少到0，二極管D2和D3自然關斷，Q2和Q3中流過電流。開關模態(tài)4，持續(xù)時間為

此模態(tài)下，Q2兩端的電壓降為0V，只要在這個時間段將Q2開啟，那么Q2就達到了零電壓開啟的效果。Q2和Q4驅(qū)動之間的死區(qū)時間即

6. t 4~~t5~時刻，如圖2f

在t4時刻之前，Q2已經(jīng)導通，ip由0向負向增加，此時Q2和Q3為ip提供通路。由于ip仍不足以提供負載電流，負載電流仍由兩個整流二極管提供回路，因此原邊繞組電壓仍為0，此時的負載電流還是由濾波電感與輸出電容提供；同時，由于原邊的Q 2 ，Q3已經(jīng)導通，原邊電流ip流過Q 2 -L r -Q 3 ，又因為Lr很小，所以原邊電流ip就會反向急劇增大。

在t5時刻，ip達到最大，等于副邊的電感電流折算到初級的電流，在這個開關模態(tài)，原邊電流是不傳遞能量的，但副邊卻存在著一個劇烈的換流過程，通過副邊二極管DR1的電流迅速減少，DR2的電流迅速增大，在t5時刻，通過DR1的電流減少到0，通過DR2的電流等于濾波電感電流I Lf (t 5 )。開關模態(tài)5持續(xù)的時間為

7. t 5~~t6~時刻，如圖2g

在這段時間里，電源給負載供電，原邊電流為

因為原邊諧振電感遠小于輸出濾波電感折算到原邊的電感值，式(16)可簡化為下式，

在t6時刻，Q3關斷，變換器開始另外半個周期的工作，與工作情況類似于上述半個周期。

2.2 超前臂與滯后臂實現(xiàn)軟開關的差異

由2.1節(jié)分析可知，要實現(xiàn)開關器件的ZVS開通，需要有足夠的能量抽走將要開通的開關器件的結(jié)電容電荷，同時給同一個橋臂另一個關斷的開關器件的結(jié)電容充電，也就是必須滿足下式：

超前橋臂容易實現(xiàn)ZVS，因為在超前橋臂開關過程中，變壓器處于能量傳遞過程中，輸出濾波電感Lf與諧振電感Lr串聯(lián)，而濾波電感Lf一般情況都遠大于L r ，所以超前橋臂開關過程中，電感存儲的能量很多，很容易滿足式(18)。

滯后臂要實現(xiàn)ZVS則比較困難，這是因為在滯后橋臂開關過程中，變壓器處于續(xù)流過程，諧振時僅由諧振電感Lr釋放能量，使諧振電容電壓下降到零，從而實現(xiàn)ZVS，此時實現(xiàn)ZVS條件為：諧振電感能量必須大于所有參與諧振的電容能量，如果不滿足式(19)，則無法實現(xiàn)ZVS。

從式(19)可以看出，要滿足它，要么增加諧振電感L r ，要么增加勵磁電流I 2 。

增加了勵磁電流，那么原邊電流相當于在負載電流的基礎上多了一份勵磁電流，使得原邊開關器件的通態(tài)損耗增加，變壓器損耗也增大，因此在勵磁電流的選擇上，要充分考慮器件和變壓器損耗。

從效率的角度考慮，在一定的負載范圍內(nèi)實現(xiàn)滯后臂的ZVS根據(jù)式(19)計算出所需最小諧振電感。

2.3 副邊占空比的丟失

副邊占空比丟失是ZVS PWM全橋變換器的一個特有現(xiàn)象，即副邊占空比Dsec小于原邊占空比D p 。

產(chǎn)生副邊占空比丟失的原因是：由于變換器存在漏電感，使原邊電流在[t 2 , t 5 ]和[t 8 , t 11 ]，不足以提供負載電流，副邊所有整流二極管全部導通，輸出濾波電感續(xù)流，輸出整流電壓vrect為0。這樣副邊就丟失了[t 2 , t 5 ]和[t 8 , t 11 ]這部分電壓方波。丟失的這部分占空比Dloss為，

由于t23時間很短，可以忽略，而

假設輸出濾波電感很大，其電流脈動較小，則

那么有

由式(22)可知，①Lr越大，Dloss越大；②負載越大，Dloss越大；③Vin越低，Dloss越大。為了減小D loss ，得到所要求的輸出電壓，可以采用飽和電感作為諧振電感，既可以最大程度的實現(xiàn)滯后臂的ZVS，也可以最大程度的減小副邊占空比的丟失。

3. 總結(jié)

本文詳細分析了移相全橋的零電壓工作原理，闡述了一個工作周期的具體換流過程以及軟開關實現(xiàn)條件，針對滯后橋臂的ZVS軟開關較超前橋臂更難實現(xiàn)進行了詳細的分析并給出了相應的措施以保證 滯后橋臂的ZVS軟開關的實現(xiàn)，此外還分析了副邊占空比因換流導致丟失的現(xiàn)象，給出了相關措施以減輕副邊占空比的丟失。