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ZVZCS移相全桥软开关工作原理

(1) 主电路拓扑

本设计采用ZVZCS PWM移相全桥变换器，采用增加辅助电路的方法复位变压器原边电流，实现了超前桥臂的零电压开关(ZVS)和滞后桥臂的零电流开关(ZCS)。电路拓扑如图3.6所示。

图3.6 全桥ZVZCS电路拓扑

当S1、S4导通时，电源对变压器初级绕组正向充电，将能量提供给负载，同时，输出端钳位电容Cc充电。当关断S1时，电源对C1充电，C2通过变压器初级绕组放电。由于C1的存在，S1为零电压关断，此时变压器漏感Lk和输出滤波电感Lo串联，共同提供能量，由于Cc的存在使得变压器副边电压下降速度比原边慢，导致电位差并产生感应电动势作用于Lk，加速了C2的放电，为S2的零电压开通提供条件。当Cc放电完全后，整流二极管全部

导通续流，在续流期间原边电流已复位，此时关段S4，开通S3，由于漏感Lk两边电流不能突变，所以S4为零电流关断，S3为零电流开通。 (2) 主电路工作过程分析[7]

半个周期内将全桥变换器的工作状态分为8种模式。 ① 模式1

S1、S4导通，电源对变压器初级绕组正向充电，将能量提供给负载，同时，输出端箝

位电容Cc充电。输出滤波电感Lo与漏感Lk相比较大，视为恒流源，主电路简化图及等效电路图如图3.7所示。

图3.7 模式1主电路简化图及等效电路图

由上图可以得到如下方程：

Vs?dIpVCcVo (3-3) ??LknndtIp?nIc?nIo (3-4) Ic??CcdVCc (3-5) dt由(3-3)式得：

d2IpdVCc (3-6) ??nLkdtdt将(3-6)式代入(3-5)式得：

Ic?nCcLkd2Ipdt2 (3-7)

将(3-7)式代入(3-4)式得：

Ip?nCcLk2d2Ipdt2?nIo (3-8)

解微分方程：

d2Ipdt2?Ipn2CcLk?Io (3-9) nCcLk其初始条件为：

VCc(t?0)?0；Ic(t?0)?0 （3-10）

代入方程解得：

Ip(t)?Vs?Vonsin?t?nIo (3-11) Lk?Ic(t)?Io?Ipn??Vs?Vonsin?t (3-12)

nLk?VCc(t)?(nVs?Vo)(1?cos?t) (3-13)

（其中??② 模式2

1nCcLk2）

当cos?t??1时，VCc(t)达到最大值，此时sin?t?0，Ic(t)?0，Ip(t)?nIo；二极管Dc关断，输出侧电流流经D1、Lo、Co、RL、D4和次级绕组，简化电路如图3.8所示。此时满足：Ip(t)?nIo，VCc(t)?2(nVs?Vo)，Vr?nVs。

图3.8 模式2简化电路图

③ 模式3

S1关断，原边电流从S1转移至C1和C2，C1充电，C2放电，简化电路如图3.9所示。由于C1的存在，S1是零电压关断。变压器原边漏感Lk和输出滤波电感Lo串联，共同提供能量，变压器原边电压Vab和整流桥输出电压以相同的斜率线性下降，满足：Vab(t)?Vs?nIot。

C1?C3

图3.9 模式3简化电路图

④ 模式4

当整流桥输出电压Vr线性降至箝位电压VCc时，Dh导通，由于Cc的存在使得变压器副边电压下降速度比原边慢，导致电位差并产生感应电动势作用于Lk，加速了C2的放电，为S2的零电压开通提供条件。简化电路及等效电路如图3.10所示。

图3.10 模式4主电路简化图及等效电路图

由上图可建立如下方程：

dVCcd2IpdVab?n?nLk (3-14) dtdtdt2Ip?nIc?nIo (3-15) dVabdtIpC1?C2dVCcdt?? (3-16)

Ic??Cc (3-17)

将(3-14)式和(3-16)式代入(3-17)式得：

Ic?nCcIpC1?C2?nCcLkd2Ipdt2 (3-18)

将(3-18)式代入(3-15)式得：

Ip?n2CcIpC1?C2?nCcLk2d2Ipdt2?nIo (3-19)

解微分方程：

d2Ipdt2?n2Cc?C1?C2n2Cc(C1?C2)LkIp?Io (3-20) nCcLk其初始条件为：

Ic(t?0)?0，VCc?nVab (3-21)

解得：

Ip(t)?nIo(1?C1?C2C1?C2?n2Cc)cos?t?C1?C2C1?C2?n2CcnIo (3-22)

Vab(t)?nIo?n3CcLkIo?2(C1?C2?n2Cc)?n2Io(C1?C2?nCc)?2sin?t?nIotC1?C2?n2Ccn2IoC1?C2?nCc2?2(nVs?Vo) (3-23) nVCc(t)?sin?t?t?2(nVs?Vo) (3-24)

（其中??⑤ 模式5

C1?C2?n2CcnLk(C1?C2)Cc2）

C2被放电完全，DS2导通，此时开通S2，由于DS2的存在，S2为零电压开通，变压器

原边电压Vab为零，简化电路及等效电路如图3.11所示。

图3.11 模式5 主电路简化图及等效电路图

根据上图可建立如下方程：

dIpVCc (3-25) ??LkndtIp?nIc?nIo (3-26) Ic??CdVCc (3-27) dt将(3-25)式代入(3-27)式得：

Ic??nCcLkd2Ipdt2 (3-28)

将(3-28)式代入(3-26)式得：

Ip?nCcLk2d2Ipdt2?nIo (3-29)

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