王迎斌

摘 要：本文采用移相全桥控制策略，设计了一种应用于电动汽车的DC/DC变换器并能实现功率开关的零电压导通。本文对其进行了简要介绍移相全桥ZVS-DC变换器的拓扑结构。制造了一个原型进行了一系列的实验。最终的实验结果与仿真结果相一致，且满足要求设计要求，证明设计方案的可行性。

关键词：移相全桥 电动汽车 拓扑结构 ZVS控制

Design and Research of Electric Vehicle DC/DC Converter Based on Phase Shift Full Bridge ZVS Control

Wang Yingbin

Abstract：In this paper， a phase-shifted full-bridge control strategy is adopted to design a DC/DC converter applied to electric vehicles and realize the zero-voltage conduction of the power switch. This article briefly introduces the topology of the phase-shifted full-bridge ZVS-DC converter. A prototype was made and a series of experiments were carried out. The final experimental results are consistent with the simulation results， and meet the required design requirements， proving the feasibility of the design scheme.

Key words：phase-shifted full bridge， electric vehicle， topology， ZVS control

1 引言

伴随着全球能源危机情况的日益严重，节能环保汽车需求不断增加，大力发展电动汽车已成为国家重要战略的目标之一，而作为电动汽车核心部件的DC/DC转换器，对其进行更深入的研究和改进也变得愈发迫切。开关电源由于效率高、可靠性好等优点近年来逐渐受到设计人员的关注，其高频状态下的功率器件具有非线性特性，寄生电路参数在高频工况下效应明显，可以通过平稳的系统操作达到高效传输的目的。在此设计中，相移全桥ZVS DC/DC设计了电动汽车用变频器。相移全桥ZVS DC/DC转换器适用于中功率和大功率场合。它可以充分利用功率器件的寄生参数来实现零电压开关并提高开关的开关频率[1]。

2 移相全桥ZVS DC / DC转换器的结构和特征

DC/DC转换器可以将不可调节的直流电压转换成可调节的直流电压。随着电动汽车的发展，DC/DC转换器越来越多地应用于电动汽车中广泛。由于动力电池的高压电源可以转换为低压电源通过DC/DC转换器可以替代传统车辆中的小型发电机车辆的布局和结构可以优化。

相移全桥ZVS DC/DC转换器的拓扑如图1所示。全桥逆变器电路用于变压器的一次电路。Q1，Q2，Q3和Q4是功率器件，例如IGBT或MOSFET。D1，D2，D3和D4是Qi的寄生二极管分别。Ci是寄生电容。Lr是谐振电感，包括变压器漏电感和外部电感。与其他隔离式转换器相比，全桥逆变器电路的输入电压仅为直流母线电压。开关的最大电压与相同的半桥电路相同功率电平，即直流母线电压的一半。通过开关的电流是一半的两倍-桥接电路。并且与推挽电路相比，开关的最大电压为一半，并且不需要中央抽头变压器，从而使电路更简单，更紧凑。所以全桥式转换器电路更适合大功率应用[2]。

可以充分利用电源开关器件或外部电容器的寄生电容通过相移全桥ZVS控制模式实现可靠的零电压开关和电路结构简单。

3 移相全桥DC / DC转换器中的关键问题

3.1 占空比损失

由于全桥ZVS DC/DC转换器中存在谐振电感器，因此功率逆变桥上的开关可以实现零电压开关，从而降低了电流和电压应力和电源开关的损耗。但是当引线的开关闭合时，电源首先为谐振电感器充电。此时，原边电流不足以提供负载电流时，变压器次级侧的整流电路的二极管位于击穿状态，因此这些二极管将电源开关的电压钳位到零电压，这导致占空比的损失[3]。

占空比损耗是ZVS相移全桥DC/DC转换器的重要现象，这会降低转换器的效率。每个周期的占空比为：

其中Lr是谐振电感器（包括变压器泄漏），IP是原始侧电流，uDC是直流输入电压，T是PWM控制信号的周期。

3.2 开关管ZVS的实现条件

为实现开关的零电压开关，谐振能量应满足：

其中Ci是电源开关管的寄生电容，C1=C2=C3=C4。CT是变压器寄生电容。

引线开关的零电压开关取决于引线的谐振过程。在这个过程中在引线共振中，变压器正在传递能量，因此可以认为一次侧谐振电感与二次侧滤波电感串联。这个谐振能量是谐振电感和滤波电感的总和[4]。

其中Lf是输出滤波电感，ET是励磁绕组的能量，即相对较小，可以忽略。

滞后引线开关的零电压开关取决于滞后引线的谐振过程。在这个过程中在滞后引线共振中，变压器被二次侧的MOSFET短路。在这一点上，转换器被分成两部分，这意味着二次侧和原边变压器的侧边没有连接，所以谐振能量只与原边：

综上所述，实现移相全桥DC/DC变换器零电压开关的关键是实现滞引线开关的零电压开关。只要引线上的开关可以实现零电压开关，那么在前引线上也可以实现零电压开关。

4 多功能充电转换器整体结构

图2是多功能充电转换器的整体结构框图。系统的主电源部分主要由AC/DC變换和DC/DC变换组成。DC/DC变换部分分为高压DC/DC变换和低压DC/DC变换两部分，两部分共用DC变换拓扑，控制器和继电器完成两个DC/DC变换。多功能充电变换器采用两级变换拓扑。前级采用Boost PFC电路实现AC/DC转换，提高电路的PF值，抑制谐波干扰。转换后的高压直流电相对稳定，可用于后续的多功能直流电/部分采用直流变换器;后一级在全桥LLC谐振变换器上进行拓扑时分复用，作为多功能DC/DC转换电路，可在不同时期产生高压直流电和低压直流电，分别对动力电池和辅助电池充电。此外，该系统还包括控制保护和辅助管理两部分。控制保护部分主要完成输入输出过电压、欠电压检测和输入过电流检测，检测数据由前后控制器处理。进行保护动作;辅助管理部分包括辅助电源、CAN通信、上位机接口等。

5 结语

本文介绍了相移全桥DC/DC ZVS的特点和主要问题对转换器进行了分析，并计算了主要部件的参数和模型。并在理论分析和建模仿真的基础上，开发了原型并进行了实验结果实现了。设计要求160V|～350V DC输入，14V DC输出，大功率转换效率达到90%以上。但是在本文中，相移全桥控制器UCC28950不是可编程的，因此某些辅助功能受到限制，包括电压检测和保护、电流检测和保护、温度检测和保护、能源流程和通讯功能等。使用可编程控制器使转换器工作在稳定的条件下实现能量的双向流动将是进一步研究的重点。

参考文献：

[1]叶玉曜，张振国，李树娟，等.模糊PID复合控制的移相全桥ZVS PWM变换器设计研究[J].软件导刊，2018，017（001）：175-178.

[2]李宏超.浅析移相全桥ZVS DC/DC变换器待解决的关键问题[J].农家参谋，2019，606（01）：196-197.

[3]宋建国，谢敏波，张斌.基于大功率车载DC/DC移相全桥转换器的研究[J].电力电子技术，2019（12）：23-27.

[4]姜婷婷，周松林.数字控制的移相全桥零电压变换器设计[J].赤峰学院学报（自然科学版），2018（6）.