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。

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，V_gs13为超前臂开关管S1及S3的栅源极间电压，V_gs24为滞后臂开关管S2及S4的栅源极间电压，V_primary为变压器原边电压，I_S1至I_S4分别为流过开关管S1～S4的电流。

    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。

    在等效电路图中，V_in为变压器原边的输入电压，I_in为变压器原边的输入电流。流过电感La的电流I_La及流过开关管S1的电流I_S1的表达式如式(1)及式(2)所示：

    式中：n为变压器的变比，I_o为输出电流，Lt为变压器漏感，I_S1为流过开关管S1的电流，I_La为流过电感La的电流，I_Lt为流过变压器漏感的电流，V_Ca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I_Sa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I_S1不断降低。当流过开关管S1的电流I_S1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I_S1和流过电感La的电流I_La的表达式与工作模式1相同。

    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。

    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I_S2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V_in=400 V，输出电压V_o=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。

    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。

    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。

参考文献

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