一种带辅助电路的ZCS软开关全桥直流变换器*

邵珠雷

（许昌学院 电气工程学院，河南 许昌 461000）

一种带辅助电路的ZCS软开关全桥直流变换器*

邵珠雷

（许昌学院 电气工程学院，河南 许昌 461000）

针对零电压零电流开关（ZVZCS）全桥直流变换器在中大功率应用场合效率不高的问题，提出了一种带辅助电路的零电流开关（ZCS）全桥直流变换器。通过为全桥直流变换器的超前臂和滞后臂设计相应的辅助电路，实现了全桥直流变换器两桥臂开关管的零电流关断，即实现了ZCS。根据提出的ZCS软开关全桥直流变换器结构，试制了一台3 kW的样机。实验结果表明，ZCS软开关全桥直流变换器的超桥臂及滞后臂均工作于零电流开关状态。为验证ZCS软开关全桥直流变换器的效率性能，将其与ZVZCS全桥直流变换器进行效率方面的比较。由比较结果可知，ZCS软开关全桥直流变换器在中大功率应用场合中的效率明显优于ZVZCS全桥直流变换器，表现出良好的性能。

软开关；全桥直流变换器；零电流开关

0　引言

目前，全桥直流变换器已在中大功率场合得到了广泛应用。为了进一步降低电能变换的损耗，软开关技术在全桥直流变换器的设计中必不可少[1]。应用于全桥直流变换器的软开关技术大致有三类，分别为零电压开关（Zero Voltage Switching，ZVS）技术、零电压零电流开关（Zero Voltage Zero Current Switching，ZVZCS）技术以及零电流开关（Zero Current Switching，ZCS）技术。ZVZCS技术通过设计谐振元件或增加辅助电路，较好地实现了全桥直流变换器滞后臂的零电流关断，但其超前臂仍为零电压开通方式，因此超前臂的开关管多采用 MOSFET，这使得采用ZVZCS技术的全桥直流变换器在功率等级方面受到限制。ZCS技术能够实现全桥直流变换器超前臂和滞后臂的零电流关断，且开关管均采用 IGBT[2]。本文提出了一种带辅助电路的ZCS软开关全桥直流变换器，适用于中大功率场合，且具有较低的损耗。

图1　ZCS软开关全桥直流变换器电路拓扑

1　电路拓扑及工作原理

本文提出的ZCS软开关全桥直流变换器，其电路拓扑如图1所示。其中开关管Sa、二极管Da、电容Ca以及电感La共同构成超前臂辅助电路。而变压器副边的电容Cc、二极管Dc以及二极管Dv共同构成滞后臂辅助电路。两辅助电路实现了全桥直流变换器开关管的ZCS，并且超前臂辅助电路中的开关管 Sa也工作于零电流开关状态[3]。

ZCS软开关全桥直流变换器在半个工作周期中可细分为8个阶段，本文将其定义为 8个工作模式[4]。ZCS软开关全桥直流变换器的工作波形如图2所示。其中，Vgs13为超前臂开关管 S1及 S3的栅源极间电压，Vgs24为滞后臂开关管 S2及 S4的栅源极间电压，Vprimary为变压器原边电压，IS1至IS4分别为流过开关管 S1～S4的电流。

图2　工作波形

工作模式 1(t0≤t＜t1)：当 t=t0时，开关管 S1及 S2处于开通状态，变换器通过二极管D3及D4输出能量。超前臂辅助电路中的开关管Sa在t0时刻处于开通状态，电容Ca开始放电，并与电感 La产生谐振。当开关管Sa中流过的电流降为零时，工作模式1结束。变换器等效电路图如图3所示。

图3　工作模式1等效电路图

在等效电路图中，Vin为变压器原边的输入电压，Iin为变压器原边的输入电流。流过电感 La的电流 ILa及流过开关管 S1的电流 IS1的表达式如式(1)及式(2)所示：

式中：n为变压器的变比，Io为输出电流，Lt为变压器漏感，IS1为流过开关管 S1的电流，ILa为流过电感 La的电流，ILt为流过变压器漏感的电流，VCa为电容 Ca两端的电压，Vo为输出电压。

工作模式 2(t1≤t＜t2)：当 t=t1时，流过开关管 Sa的电流ISa反向流过开关管 Sa的反并联二极管 DSa。当电流流过二极管DSa时，开关管Sa在零电流条件下关断。工作模式2的等效电路图如图4所示。随着电容Ca与电感La谐振的发生，电容Ca两端的电压不断升高，而流过开关管S1的电流IS1不断降低。当流过开关管S1的电流IS1降为零时，变换器工作模式2结束。在工作模式2中，流过开关管S1的电流IS1和流过电感La的电流ILa的表达式与工作模式1相同。

图4　工作模式2等效电路图

工作模式 3(t2≤t＜t3)：当 t=t2时，流过开关管 S1的电流反向流过开关管 S1的反并联二极管DS1，开关管S1可在零电流条件下关断，即实现ZCS。随着电容Ca与电感La产生谐振，电容Ca两端的电压继续升高。超前臂辅助电路中的电流反向流过二极管DSa。工作模式3的等效电路图如图5所示。

图5　工作模式3等效电路图

工作模式 4(t3≤t＜t4)：当t=t3时，开关管S3处于开通状态，并且由于电感La及变压器漏感的存在，开关管S3可实现软开关。在工作模式4中，滞后臂辅助电路中的二极管Dv正向导通，电容Cc处于放电状态，且电容Lc两端的电压为变压器原边电压的反电压。

工作模式 5(t4≤t＜t5)：当 t=t4时，开关管 S2中的电流IS2减小为零，开关管S2可在零电流条件下关断，即实现ZCS。在工作模式5中，变换器输入回路电流流过二极管DSa及开关管S3，而输出回路中的电容 Cc持续处于放电状态，并为负载提供能量输出。

工作模式6(t5≤t＜t6)：当 t=t5时，变换器输入回路中的电流减小为零，开关管S3可在零电流条件下关断，即实现ZCS。在变换器输出回路中，电容Cc处于放电状态，电流通过二极管Dv形成回路，为负载提供能量。

工作模式 7(t6≤t＜t7)：当 t=t6时，变换器输出回路中，电容Cc放电结束，二极管D1至D4开始正向导通并形成输出回路，负载电流经二极管D1至D4流过。

工作模式 8(t7≤t＜t8)：当 t=t7时，开关管 S4开通，由于变压器漏感的存在，流过开关管S4的电流逐渐升高。在变换器输出回路中，电流流过二极管 D1、D2及 Dv。滞后臂辅助电路中的电容Cc与变压器漏感产生谐振，电容Cc电压开始上升。

2　实验结果及分析

根据本文提出的ZCS软开关全桥直流变换器结构，试制了一台功率为3 kW的样机。样机输入电压Vin=400 V，输出电压Vo=380 V，工作频率 f=80 kHz。超前臂辅助电路中电感 La=3 μH，电容 Ca=62 nF，滞后臂辅助电路中的电容Cc=3.3 μF。变压器变比n=21/18，变压器漏感Lt=3.2 μH。为了便于实验观察，对样机进行电压波形测量时，将电压波形幅值缩小了100倍，对电流波形测量时，采用相应电流探头，并将电流波形幅值缩小了10倍[5]。实验所得电路波形如图6、图7及图8所示。

图6　开关管S1的电压波形及电流波形

图7　开关管S2的电压波形及电流波形

图8　开关管S3的电压波形及电流波形

超前臂开关管S1及S3的电压波形和电流波形如图6及图8所示。由图可知，开关管S1及S3均实现了零电流关断，超前臂完全工作于零电流开关状态，即实现了ZCS。滞后臂开关管S2的电压波形和电流波形如图7所示。由图可知，滞后臂也工作于零电流开关状态，实现了ZCS。

为了进一步了解本文提出的ZCS软开关全桥直流变换器的效率性能，将其与使用ZVZCS技术的全桥直流变换器进行效率方面的比较，两种软开关全桥直流变换器效率的比较结果如图9所示。

图9　效率比较结果

在图9中，带圆点的曲线为ZCS软开关全桥直流变换器的效率曲线，而带三角的曲线为ZVZCS全桥直流变换器的效率曲线。由图可知，ZCS软开关全桥直流变换器在中大功率应用场合中的效率明显优于ZVZCS全桥直流变换器[6]。在 3 kW 应用场合中，ZCS软开关全桥直流变换器的效率高出ZVZCS全桥直流变换器7%，效率达到95%，表现出了良好的性能。

3　结论

本文提出了一种带辅助电路的ZCS软开关全桥直流变换器。ZCS软开关全桥直流变换器具有两个辅助电路，一个为超前臂辅助电路，另一个为滞后臂辅助电路。辅助电路实现了全桥直流变换器超前臂开关管和滞后臂开关管的零电流关断，即实现了ZCS。在理论分析及参数优化设计的基础上，试制了一台功率为3 kW的样机。由实验可知，超前桥臂开关管和滞后桥臂开关管均可在零电流条件下关断，具有较小的损耗。针对变换器的效率问题，将ZCS软开关全桥直流变换器与ZVZCS全桥直流变换器进行了比较。由比较结果可知，ZCS软开关全桥直流变换器在中大功率应用场合中具有较高的效率，表现出良好的性能。

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[3]LIU C，GU B，LAI J.High-efficiency hybrid full-bridge-half-bridge converter with shared ZVS lagging leg and dual outputs in series[J].IEEE Trans.Power Electronics，2013，28 (2)：849-861.

[4]刘伟明，朱忠尼，张华.一种带辅助桥臂的移相全桥软开关变换器分析[J].电力电子技术，2010，44(2)：40-41.

[5]成庶，陈特放，余明扬.一种新型有源次级箝位全桥零电压零电流软开关 PWM变换器[J].中国电机工程学报，2008，28(12)：44-49.

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A ZCS soft-switching full-bridge DC-DC converter with auxiliary circuits

Shao Zhulei
(School of Electrical Engineering，Xuchang University，Xuchang 461000，China)

Aiming at the problems of zero voltage zero current switching(ZVZCS)full-bridge DC-DC converter in high power application,a zero current switching(ZCS)soft-switching full-bridge DC-DC converter with auxiliary circuits is proposed in this paper. The outstanding feature of the ZCS converter is that it allows its main power switches to operate with zero current switching(ZCS) by using two simple auxiliary circuits.A 3 kW converter was designed,and the experimental waveforms show that the leading leg and lagging leg of the converter are operated with zero current switching.Finally,a comparative study was done on the ZCS converter and the ZVZCS converter.It can be seen that the ZCS converter is more efficient than the ZVZCS converter in high power application.

soft-switching；full-bridge direct current converter；zero current switching

TM46

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2016.02.032

河南省高等学校重点科研项目（15B470006）

2015-08-10)(

2015-10-10)

邵珠雷（1983-），男，硕士研究生，助教，主要研究方向：电力电子技术应用。

中文引用格式：邵珠雷.一种带辅助电路的 ZCS软开关全桥直流变换器[J].电子技术应用，2016，42(2)：118-121，

英文引用格式：Shao Zhulei.A ZCS soft-switching full-bridge DC-DC converter with auxiliary circuits[J].Application of Electronic Technique，2016，42(2)：118-121，