全桥移相软开关逆变电源设计

摘 要：软开关电源是近年来电源技术发展的新方向。本文提出了一种全桥移相软开关逆变电源的设计方案，它采用了全桥零电压零电流脉宽调制变换器（FB-ZVZCS-PWM）的工作模式，本文对系统各部件的设置进行了较为详细的说明。

关键词：逆变电源；软开关；脉宽调制；FB-ZVZCS-PWM

0 引言

自20世纪80年代以来，软开关技术取得了较大的进展。在逆变器中，可以利用原有的电路，采用合适的控制模式，添加适当的电感和电容，从而实现功率器件的软开关。

软开关变换技术的实质是在主电路上增加储能元件L、C产生谐振，迫使功率器件上的电压或电流迅速降为零，从而提供理想的开关条件。

1 全桥移相软开关逆变电源主电路设计

主电路分为三个部分（见图1）：

第一部分，输入整流滤波电路。二极管D1-D4组成输入整流电路（实际电路选用整流模块替代）；C1为高频滤波电容，隔离电网与逆变电路之间的谐波干扰；电阻R2、R3和电容器组C2、C3组成滤波电路；R1为限流电阻，限制启动时的合闸浪涌电流；继电器K控制限流电阻切换，启动后闭合，把R1从主电路去除；电阻R10、R11、稳压管D9与电容C11组成延时电路，控制R1切换时间。

第二部分，逆变器。VT1-VT4为功率开关管IGBT（实际用两组半桥模块组成），与中频变压器TF1组成逆变器；电阻R4-R7、电容C4-C7与二极管D10-D13共同组成VT1-VT4的RCD吸收回路，减小IGBT开关过程电流、电压冲击。

第三部分，输出整流滤波电路。快速整流二极管模块D7、D8和直流电抗器L1组成单相全波整流滤波输出电路；R8、C8与R9、C9组成D7、D8的吸收回路。

2 全桥移相零电压零电流脉宽调制（FB-ZVZCS-PWM）变换器

全桥零电压零电流脉宽调制变换器使原边电流在箝位续流时间迅速衰减到零并保持，固定臂（VD3，VD4）的开关管是零电流开关，移相臂（VD1，VD2）的开关管是零电压开关。这样，一方面使IGBT很容易的用到全桥软开关变换器中，另一方面使变换器附加环路能量减少，占空比损失变小，副边寄生振荡降低，软开关切换负载范围增宽等优点 。

3 软开关变换器参数的设计

3.1 中频变压器的选择

中频变压器主要作用是电压变换、功率传递和实现输入、输出之间的隔离。根据软开关逆变电源技术参数要求对中频变压器提出如下技术要求：工作频率f为20kHz，变换器输入电压U为320V，变换器输出电压U0为28V，变换器输出电流I0最大值为20A。

3.1.1 变压器磁芯的选择

由于逆变器的变压器工作频率设计为20kHz，传统的铁心材料硅钢由于损耗太大，已不能满足使用要求。磁芯材料只能从坡莫合金、钴基非晶态合金和超微晶合金（非晶态合金）三种材料中来考虑。综合三种材料的性能比较，选择饱和磁感应强度Bs高，温度稳定性好，价格低廉，加工方便的超微晶合金有利于变压器技术指标的实现。

3.1.2 变压器匝数与变比的计算

二次绕组匝数N2=N1×U2/U1=60×28/320=5.25，取N2为6匝。

变压器变比为n=N1/N2=10。

3.1.3 变压器导线线径计算

当交变电流通过导体时，沿导体截面上的电流分布不是均匀的，最大电流密度出现在导体的表面层，该现象称为集肤效应。集肤效应从根本上说，相当于减少了导体截面而增加了一个给定负载的发热程度。导线通过高频交流时，导线的有效面积的减小可以用穿透深度 来表示。穿透深度 的意义为由于集肤效应交变电流沿导线表面开始能达到的径向深度。

3.2 功率开关元件IGBT的选择

IGBT的作用是通过它的周期性开和关作用，把直流电压变换成方波电压，它是软开关逆变电源中的关键核心器件。由于它比较脆弱，对它的设计、选择直接关系到整个焊机的安全、可靠。综上所述，所选IGBT管额定电压1200V，额定电流10A。

3.3 隔直电容的选择

隔直电容主要的作用就是在原边电流箝位续流时间时与谐振电感发生谐振，使原边电流迅速衰减到零并保持，从而实现固定臂的功率开关管零电流关断。所以隔直电容的设计与谐振电感在箝位续流时间的伏秒积有关。

3.4 可饱和电感的设计

可饱和电感的设计关键是根据临界电流选择符合性能要求磁芯的饱和点。选择好合适饱和点的磁芯将相关参数带入式15即可求得相关参数，但实际的可饱和电感受温度的影响较大，在实验中要根据实际情况对匝数进行适当调整才能获得所需可饱和电感。

3.5.1 超前臂并联电容和结电容的等效电容参数的选择

因最小输出电流和最大输入电压可以使超前臂零电压开通时，大电流和小电压时也就能满足超前臂零电压开通的条件，要在全范围内实现超前臂的零电压开通，必需以最小输出电流、最大输入电压来选择超前臂功率开关管VT1 和VT2 的等效电容C1、C2，选定一定型号的IGBT后器结电容是确定的，据此就可以算出IGBT两端的并联电容的值。

3.5.2 固定臂并联电容C3、C4和结电容等效电容参数的选择

由软开关逆变电源的工作原理的分析可知，只有移动臂上的功率开关管可以实现零电压开通，固定臂上的功率开关不但不能实现零电压开通，反而其开通时加载在功率开关管两端的电压是硬开关的两倍，即320V。

3.6 输出电路设计的设计

输出整流滤波电路具有两个功能，一个功能是将中频变压器二次方波电压整流成单向脉动电流，并将其平滑成设计要求的低纹直流电压；另一个功能是抑制开关整流二极管方向回复时间内电流急剧回复产生的尖峰噪声。由于输出电路要求整流的信号是20kHz的方波，与普通的低频滤波不同，所以对输出电路中的元件选择有着较高的要求。

3.6.1 输出整流二极管选择

由于逆变电路工作在20kHZ，所以输出整流二极管应有短的反向恢复时间和小的反向恢复电流，同时为减小尖峰噪声反向电流的恢复以缓慢为好。常用的输出整流二极管有掺金扩散型、外延型、肖特基型及PIN型。考虑留一定的安全裕量，二极管额定电压按120V，电流15A选取。

3.6.2 输出滤波电感的选择

输出滤波电感具有两个作用：一个作用是用于滤波，使电流连续。特别是小电流脉动大时，所以输出滤波电感的选择以最小直流电流波形连续为依据；另一个作用是改善直流电源的动特性。

4 FB-ZVZCS-PWM变换器仿真

仿真结果分析：

1）从上面四个仿真图可以看出，所设计的参数可以达到变换器的零电压零电流开关的要求。

2）实际中可饱和电感在达到饱和后，电感值并非完全为零。而在设计中由于所用的模块本身存在的问题，只能将可饱和电感理想化，设定在达到饱和时，该电感值为零，相当于一条导线。此处存在的误差对实验结果会有较大的影响。

3）所显示的变压器原边电流变化中，并未完全的如设想的结果。经分析认为，电流未出现稳定平台，主要是因为元件的参数还需进一步改进。

5 结束语

本文对全桥移相软开关逆变电源电路进行了研究，得出以下结论：

a. 通过比较分析FB-ZVS-PWM、FB-ZCS-PWM和FB-ZVZCS-PWM三种电路的工作过程，认为FB-ZVZCS-PWM工作模式比其它两种模式更有优势；

b. 对逆变电源的工作频率、IGBT管和隔直电容的参数进行了计算和选择，经过仿真后，可认为是合理的。

参考文献

[1] 杨旭，裴云庆，王兆安.开关电源技术[M].北京：械工业出版社，2015.

[2] 叶斌.电力电子应用技术[M].北京：清华大学出版社，2011.