张 钊，屈诚志，姜 月，解 冀
（上海空间电源研究所，上海 201100）
随着直流开关电源技术的不断发展，根据几种基本拓扑发展出了丰富的新型衍生电路。按照是否有电气隔离可以将直流变换器分成两类，一类是没有变压器隔离的非隔离型直流变换器，另一类是有变压器隔离的隔离型直流变换器。多种电源拓扑有各自的应用场合和限制条件，某些拓扑在一定程度上又有使用范围上的交叉。
小型化和模块化是当前直流开关电源的重要发展方向，而高频化又是变换器小型化的基础。软开关技术可以降低开关器件的开关损耗，有效提升高频直流变换器的效率，减小了器件发热和电磁干扰，是当前开关电源技术的发展趋势，具有重要的实际意义和研究价值。
推挽电路具有结构简单，适用于中等功率场合的优点，但其软开关技术对于移相全桥研究较少，本文将介绍几种基本隔离型拓扑的应用场合，分析ZVS 软开关的种类和原理，根据目前推挽软开关电路中开关管的数量分类，对两管ZVS 推挽拓扑、三管ZVS 推挽拓扑和四管ZVS 推挽拓扑进行简要分析。
1 隔离型拓扑应用场合
隔离型直流变换器通常采用变压器隔离，其本身也具有变压功能，使直流变换器拥有宽泛的输入和输出电压变换范围。与非隔离型相比，变压器的应用便于实现多路不同电压或相同电压输出。
在设计直流开关电源时，要选择与需求功率等级匹配的拓扑，并根据电压应力和电流应力选择开关管规格。目前正激、反激、推挽、半桥和全桥是比较常见的五种隔离型开关电源拓扑，它们的一些适用范围和特性如表1所示。
表1 隔离型拓扑特性比较
从开关管的电压应力和电流应力上看，全桥拓扑具有明显的优势，其电压应力是一倍输入电压峰值，小于正激、反激和推挽拓扑的两倍峰值，这说明使用相同的开关管，全桥拓扑可以承受更高的输入电压，推挽等拓扑适用于输入电压较小的情况。另一方面，提高了耐压水平且提升了功率等级的全桥拓扑使用的开关管数量也多于中小功率拓扑，使设计出的产品体积和质量较大。所以，在主功率拓扑中开关管种类确定时，变换器的输出功率通常与所用开关管数量成正比。
五种基本隔离型直流电源拓扑的功率等级如图1 所示。主功率拓扑的选择在小功率、中功率和大功率交界区域有一定宽泛性，尤其对适合于中功率场合的推挽电路来说，在中小功率领域和中大功率领域也有广泛应用。
图1 基本隔离型直流电源拓扑功率等级示意图
除了考虑主拓扑的功率等级和功率开关管的电压电流需求，在选择拓扑时还要考虑到其固有特性，例如正激电路虽然电路简单，但是需要磁复位电路；推挽电路开关互补导通，时间利用率高的同时，也产生了变压器偏磁的问题；全桥电路容易达到大功率等级，代价是结构复杂和成本较高。
2 软开关技术原理
当前使用的功率开关管并不是理想器件，在开关管开通时，电压和电流不能突变，需要一段时间的减小和增加；在开关管关断时，电压和电流也需要一段时间增加和减小。这段时间里，电压和电流在交叠区中产生了开关损耗，其原理示意图如图2 所示。一般情况下一个周期内开关管的开关损耗只与其本身性质有关，可以视作一个恒定的值，因此，直流变换器的总开关损耗与开关频率成正比。
图2 硬开关的开关过程
开关损耗可以使变换器的效率降低，这直接限制了开关频率的提升，从而限制了变换器的小型化。为了在满足变换器效率的前提下提升开关频率，软开关技术应运而生。软开关的基本原理是使功率器件在开通（或关断）时电压电流没有交叠或交叠区域尽可能减小，其原理示意图如图3 所示。
图3 软开关的开关过程
20 世纪70 年代出现了串联和并联谐振软开关，随后80 年代准谐振和多谐振软开关的诞生使得软开关技术丰富多彩起来，零电流脉宽调制技术（ZCS）PWM、零电压脉宽调制技术（ZVS）PWM 和移相全桥ZVS 技术也在这个时代问世，到90 年代时，零电流转换（ZCT）PWM、零电压转换（ZVT）PWM 和移相全桥ZVZCS 技术得到了广泛应用。
ZVS 零电压开关和ZCS 零电流开关是直流变换器软开关的两个方向，功率场效应管（MOSFET）有较大的寄生电容，适合采用ZVS 方案。开通前可以放掉寄生电容在关断时积攒的电荷，减少容性开通损耗。绝缘栅双极性晶体管（IGBT）在关断时会有电流拖尾，采用ZCS 方案可以使开关管在关断前电流下降为零，降低关断损耗。谐振类型的软开关是通过电感和电容谐振，让本该交叠的电压电流分开，下面通过对ZVS 准谐振软开关进行介绍来更直观地说明软开关的实现路线。
图4 给出了M 型和L 型ZVS 谐振软开关的基本模块，它们的原理是相同的。当开关管S1导通时，谐振电容Cr两端电压为零；当开关管S1关断时，谐振电容Cr充电使S1两端电压上升延迟，从而完成S1的零电压关断；当开关管S1开通时，谐振电感Lr和谐振电容Cr谐振，使得谐振电容Cr的电压下降到零，从而完成S1的零电压开通。
图4 零电压谐振开关
3 推挽软开关拓扑分类
在直流变换器的软开关技术探索中，涌现了种类繁多的推挽软开关拓扑。伴随着现代电力电子技术的不断推进，推挽拓扑不仅在全谐振、准谐振和多谐振这三种谐振型变换器领域得到应用，还出现了推挽零开关PWM变换器和推挽零转换PWM 变换器。
其中三种基本谐振型变换器有着很大的缺陷或者限制条件，为了保持输出电压的稳定性，谐振、准谐振和多谐振变换器需要调整频率，这导致滤波模块和变压器的设计难度加大，零开关PWM 和零转换PWM 通过增加辅助开关管的方法实现了定频调宽的软开关控制方案。面对当前众多推挽软开关设计方案，本文使用辅助开关管数量为分类标准，介绍三种推挽软开关拓扑：没有使用辅助开关管的双管推挽ZVS 拓扑；使用一个辅助开关管的三管推挽ZVS 拓扑；使用两个辅助开关管的四管推挽ZVS 拓扑。
3.1 双管推挽ZVS 拓扑
双管推挽ZVS 拓扑是推挽电路最早使用的软开关方法，可以实现降低开关损耗的目标，但是面临输出电压在固定频率不可调的问题，采用频率控制方法也不利于磁元件的优化。此类拓扑主要分为变压器原边谐振和变压器副边谐振两种，根据这两种基本思路出现了众多改进和衍生型拓扑，见图5。
图5 两管推挽ZVS 拓扑
副边LC 谐振型推挽拓扑是根据Ryan M.J.等人提出的副边LCL 推挽拓扑改进形成的，Boonyaroonate I.等人将谐振电容Cr提至全桥整流电路前端，与谐振电感Lr串联，成功解决了因谐振电感在输出端造成的输出电压受谐振电流波动影响的问题。原边LC 谐振型推挽拓扑是Arulselvil S.等人为了有效利用MOSFET 开关管的结电容设计的，与副边LC 谐振型相比，两个开关管使用了两个谐振电感和谐振电容，使电路多了一个谐振电感元件。还有一些学者提出了增加无源器件数量的原边或副边LLC 推挽谐振拓扑，以进一步提高增益或减小开关管应力，在文献[3]中有详尽的介绍。
3.2 三管推挽ZVS 拓扑
为了可以使变换器在恒定频率下实现软开关功能，有学者通过在电路中增加辅助开关管的方法，设计出了三管推挽ZVS 拓扑。图6 中S1和S2是主开关管，S3位于输入干路上是辅助开关管，三个开关管采用PWM 控制方法。拓扑有两类谐振环节，一类是滤波电感Lf与电容C3和其中一个主开关管的并联电容谐振，可以实现主开关S1和S2的ZVS 开通；另一类是变压器的漏感与电容C3和其中一个主开关管的并联电容谐振，可以实现辅助开关管C3的ZVS 开通。
图6 三管推挽ZVS 拓扑
此类三管推挽ZVS 拓扑不仅可以实现主开关管的零电压开关，也可以实现辅助开关管的零电压开关，三个开关管零电压关断的三个谐振区间是图7 中的t1～t2、t3～t4和t5～t6，这三个谐振区间位于三个开关管驱动信号之间的死区上，时间长度大概是开关周期的1/10，对整个变换器影响不大。原理与移相全桥软开关相似，S1和S2是超前臂开关管，S3是滞后臂开关管。
图7 三管推挽开关管驱动信号
针对辅助开关管ZVS 负载范围小的问题，文献[6]中对此类拓扑进行了优化，通过在辅助开关管两端并联LC电路或在变压器副边串联饱和电感，增加辅助开关管ZVS 范围，使其对变压器的漏感大小依赖度降低。
3.3 四管推挽ZVS 拓扑
虽然有一些提升三管推挽ZVS 辅助开关管负载范围的方案，但是在辅助开关管两端并联LC 电路会增加环流阶段的导通损耗，在变压器副边串联饱和电感也有电感发热严重的问题。文献[7]提出了一种使用两个辅助开关管的三电平ZVS 脉宽调制拓扑，它不仅可以实现ZVS 软开关，还有效地改变了推挽电路中开关管承受二倍输入电压的状态。
如图8 所示，三电平四管推挽ZVS 拓扑借鉴中点箝位（neutral point clamped，NPC）的思想，使用两个开关管串联在一起在功能和结构上代替一个开关管，两个开关管电压应力相同，都为一倍输入电压。使用这种方法不仅可以推导出三电平推挽ZVS 拓扑，还可以应用在其他的变换器设计中，解决同类问题。
图8 四管推挽ZVS 拓扑
与移相全桥拓扑十分相似，使用了四个开关管的三电平推挽ZVS 拓扑也使用了移相控制方案，S1和S4是超前臂开关管，S2和S3是滞后臂开关管。在ZVS 软开关的设计上也充分利用了开关管的寄生电容和变压器漏感，谐振电感Lr实现了滞后臂开关管宽负载范围ZVS 的目标。值得一提的是，上下两个漏感绕组电压大小相同，所以电流变化率也相同。当一个绕组电流下降时，另一个绕组电流就会同速率上升，也就是说一个漏感绕组通过电容Clink向另外一个漏感绕组传输能量，有了更多能量的漏感绕组使滞后臂开关管更容易达到ZVS 的目标。
