黄建坤 谭晓东

摘  要：在研究中发现与开关管相并联的电容没有得到足够的重视，一直是作为其自身的寄生电容而存在，并没有当作一个独立的器件参与到工作过程中来。文章在总结前人研究的基础上，发现了缓冲电容不仅可以有效影响到桥臂间高频链环节电压波形，而且不需要增加额外的开关管及储能元件就可以实现开关管的ZVZCS导通和ZVS关断，取得了有效的研究效果。

关键词：全桥DC～DC变换器;缓冲电容;全软开关;波形抑制

中图分类号：TM46         文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2019）13-0079-03

Abstract： In the research， it is found that the capacitance connected in parallel with the switch tube has not received enough attention， and it has always existed as its own parasitic capacitance， instead of participating in the working process. On the basis of summarizing previous studies， it is found that the buffering capacitance can not only effectively affect the voltage wave-form of the high-frequency link between the bridge arms， but also realize the ZVZCS break-over and ZVS turn-off without adding additional switching tubes and energy storage elements， which has very important research significance.

Keywords： full-bridge DC～DC converter; buffer capacitance; all-soft switch; wave-form restraint

1 概述

本文对电容缓冲式全桥DC～DC变换器采用死区移相控制策略。此种控制方式不仅可以实现全桥DC～DC变换器的全软开关行为，而且可以良好的抑制高频链路中电压转换时的du/dt，减少了对变压器绝缘的损害。文中针对电容缓冲式全桥DC～DC变换器的开关特性和工作原理进行细致的分析，并给出了各种工作状态的电路模型及公式;深入讨论了死区时间的设定条件，分析了缓冲电容的取值范围;最后搭建了系统的仿真模型，并通过取得的波形验证理论的正确性。

2 电容缓冲式全桥DC～DC变换器工作原理分析

文中对电容缓冲式全桥DC～DC变换器采用死区移相控制策略，并针对变换器的开关特性和工作原理进行分析，下图1是电容缓冲式全桥DC～DC变换器的主电路拓扑结构，图2是死区移相控制工作原理图。

图中，C为输入电容，S1～S4为主开关管，VD1～VD4是主开关管上反并联的二极管，C1～C4是包含有开关管自身寄生电容的缓冲电容，Lr为原边谐振电感（包含变压器漏感和串联的电感），Cb是隔直电容，用来阻断原边电路中产生的电流直流分量。由于输出电压比较低，副边采用变压器带中心抽头的全波整流电路，D1、D2是整流二极管，L0、C0组合成了LC滤波电路，输出电压经过滤波电路给负载RL提供稳定的直流电压。

具体电路的工作过程分析如下。

工作状态1（t0前）：在t0前，主开关管S2与S4导通，S1、S3关断，两桥臂间电压uab等于输入电压Ud，电感电流iL增加至反向最大，并保持稳定。此阶段由输入电压通过变压器向负载提供能量，副边二极管D2导通，D1关断，输出 电流Io保持稳定输出，此阶段电路方程如式（2-1）。

工作狀态2（t0-t1）：在t0-t1阶段，t0时主开关管S2与S4关断，由于处于死区时间内，S1和S3并不直接导通，而此时刻与主开关管S2与S4相并联的缓冲电容C2与C4上的电压依旧保持为零，因此实现了零电压（ZVS）关断。在主开关管S2与S4关断后，因为缓冲电容C1与C3的箝位作用，与其反并联的续流二极管不能立刻导通。此阶段内，由谐振电感通过变压器向负载供电，桥臂间的中点电压uab呈现下降趋势。同时，缓冲电容C1与C3放电，经由不同的通路对C2与C4充电，电流主要流经：（1）C1与C2，对C1进行放电，对C2进行充电;（2）C3与C4，对C3进行放电，对C4进行充电。因为参数完全相同，流经每一通路的电流均是iL的一半，此阶段电路方程如式（2-2）。

工作状态3（t1-t2）：在t1-t2阶段内，死区时间依然存在，缓冲电容C1与C3上的电荷不为零，系统仍旧处于放电阶段，并保持与上一阶段相同的电流通路进行放电。两桥臂间的电压uab在此阶段开始正向增加，向负载提供的能量依然来自于谐振电感中存储的电能。在此阶段内，电感电流iL保持不变向，其值呈下降趋势。在阶段末，电容C1与C3中的能量全部转移到C2与C4中。式（2-2）中的电路函数关系也适用于此阶段，电路方程同工作状态2。

工作状态4（t2-t3）：在t2-t3阶段，t2时，缓冲电容间的电荷全部转移完成，uc1与uc3变为零，uc2与uc4变为Ud。工作在此阶段内，电感电流值在持续减少，并保持原来的方向不变。同时，与主开关管器件S1与S3反并联的续流二极管VD1与VD3导通，变压器原边开始通过二极管进行续流，uab上升到Ud，电路经过VD3、Cb、T、Lr、VD1进行续流，电路表达式为式（2-3）。

工作状态5（t3-t4）：在t3-t4阶段，t3时刻，死区时间结束，控制电路给出主开关管S1与S3的触发脉冲，使得S1与S3导通。同时，与之相反并联的续流二极管VD1与VD3尚且处于导通的状态，故而，主开关管S1与S3实现了零电压零电流（ZVZCS）导通，电路方程同工作状态4。

3 死区时间及缓冲电容的确定原则

3.1 死区时间确定原则

4 仿真实验分析

仿真模型的搭建中，选择的各元器件参数如下：Ud为600V，Uo是36V;经过计算，死区系数选为0.18，D为0.46;隔直电容为1.2μF，缓冲电容为76nF;谐振电感Lr为0.02mH，输出滤波电容为10mF，输出滤波电感为5μH，变换器开关频率是50KHz。具体的仿真结果如下列图形所示。

从上述两幅图比较来看，拥有缓冲电容的电路电压变化更加接近于余弦曲线变化，对du/dt的抑制效果显著;而且电压在切换时刻的峰值电压有所下降，减小了开关管承受的电压应力，对器件和变压器有着很好的保护作用。

5 结束语

本文主要针对电容缓冲式全桥DC～DC變换器电路控制技术进行研究。首先介绍了移相控制与死区移相控制两种控制方式的基本工作原理，并介绍了死区移相控制方式的优点，指出此控制方式的研究重点;其后对电容缓冲式全桥DC～DC变换器的工作原理进行了细致的分析，给出了各种工作状态的电路模型公式;再次深入讨论了死区时间的设定条件，分析了缓冲电容的取值范围，并给出了隔直电容的取值范围求取条件;最后通过仿真实验来验证理论分析，得到了缓冲电容对du/dt的抑制作用。

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