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摘要
全桥变换器（Full Bridge Converter，FBC）是工业领域中常用的直流-直流变换器，因其具有较高的效率和稳定性而备受关注。然而，由于传统FBC中开关器件的失效率较高，进而影响系统的可靠性、寿命和成本等方面。因此，近年来对FBC的研究呈现出一种趋势，那就是探索新的拓扑结构以提升性能及可靠性。本文将从全桥变换器零电压开关技术入手，并介绍其中一个比较流行的变种——全桥变换器滞后臂零电压开关。对其原理及特点等方面进行阐述，并对与传统FBC的比较分析后，得出全桥变换器滞后臂零电压开关的优越性在于其能提高系统的可靠性并降低噪声，具备很好的应用前景。
关键词：全桥变换器；滞后臂；零电压开关；可靠性；噪声
Abstract
The Full Bridge Converter (FBC) is a widely used DC-DC converter in the industrial field due to its high efficiency and stability. However, the failure rate of traditional FBC's switching devices is relatively high, which affects the reliability, lifespan, and cost of the system. Therefore, in recent years, the research on FBC has presented a trend to explore new topological structures to improve performance and reliability. This paper will start with the zero-voltage switching technology of the full bridge converter and introduce one of the more popular variants: the full bridge converter with lagging arm zero-voltage switching. We elaborate its principles and characteristics, and compare and analyze it with traditional FBC. It is concluded that the full bridge converter with lagging arm zero-voltage switching has the advantages of improving system reliability and reducing noise, demonstrating its good application prospects.
Keywords: Full Bridge Converter; Lagging Arm; Zero-Voltage Switching; Reliability; Noise
一、引言
随着电力电子技术的发展，全桥变换器作为一种高效、稳定的直流-直流变换器，受到了广泛关注。传统的全桥变换器拓扑结构中，由于其器件功率损耗和控制困难等缺点，使用寿命和系统可靠性严重受到影响。针对这些问题，人们开始探索新的变换器拓扑结构，其中，零电压开关技术被广泛应用于全桥变换器的拓扑结构中。
本文将介绍一种全桥变换器新的改进设计——全桥变换器滞后臂零电压开关。首先，我们将从全桥变换器的基本结构开始，介绍其中的零电压开关技术。接着，将对滞后臂零电压开关进行详细讲解。最后通过实验验证和比较分析得出滞后臂零电压开关的可靠性和噪声等方面均具备优势，具有很好的应用价值。
二、全桥变换器的基本结构
全桥变换器由桥臂和控制电路组成。其中，桥臂是由四个开关管组成，如图1所示。当桥臂中的S1和S4开关管导通，而S2和S3开关管关闭时，VAB两端的电压在0-2Vdc之间变化。当S2和S3开关管导通，而S1和S4开关管关闭时，VAB两端的电压在-2Vdc到0之间变化。这样，我们就可以获得-Vdc到+Vdc之间的任何电压值。
图1 全桥变换器基本桥臂拓扑结构
但是，在实际应用中，由于开关管的开/关过程中电流变化较大，会产生较大的电磁脉冲干扰和噪声等问题。针对这些问题，使用零电压开关技术可以减少功率开关器件的开关损耗，提高系统的效率和可靠性。
三、滞后臂零电压开关技术
传统全桥变换器中常使用零电压开关技术，不过常规的零电压开关技术并不能实现所有开关的零电压开关，而且不能有效地控制并消除电压振荡，容易导致开关管受到损坏。
滞后臂零电压开关技术是一种较新的改进方法，其基本思路是使用滞后开关电容，通过调节电容和电感等电路参数来实现器件的零电压开关。在滞后臂零电压开关全桥变换器中，将两个滞后开关电容放在开关器件的中间，可以有效地消除振荡，提高系统的可靠性。
图2展示了一种应用滞后臂零电压开关技术的全桥变换器结构。其中，C1和L1是滞后开关电容和电感，分别位于两个桥臂上，C2是绕组缓冲电容。当开关管S1和S4的管脚被关闭时，电压V3=0，此时电容Cz1开始充电，直至它的电压等于Vdc。当开关管S3和S2的管脚被关闭，此时电容Cz2开始充电，直至其电压等于-Vdc。
图2 滞后臂零电压开关全桥变换器
此时，在两电容均充满电时，它们会让两侧的开关管零电压开关，这种现象如图3所示。当S1和S4开关管关闭时，当Cz2充满时，则S2和S3开关管被关闭，此时电路如同图3（a）所示；当S2和S3开关管关闭时，当Cz1充满时，则S1和S4开关管被关闭，此时电路如同图3(b)所示。然而，在两侧都充满电时，这些开关器件实际上已经处于一种非常脆弱的状态，并且会在热点区产生高电场。
图3 零电压开关全桥变换器工作原理
为了解决这个问题，滞后臂被引入到开关器件和电路的设计中，它其实就是一个电容缓存电路，在每次极性转换之间给能量一个稍微延迟时间，以避免各器件因快速地加热而发生永久损坏。
四、实验与分析
为验证滞后臂零电压开关全桥变换器的优越性，进行了实验并将其与常规全桥变换器进行比较。测试使用的是4个IGBT二极管作为开关器件，实验电路图如下所示：
图4 实验电路
在实验中，将输入电压调整至240VDC，采用定电流定压的模式，将输出电流和输出电压保持不变，并采用示波器和功率分析仪进行波形分析和性能测试。将测试结果进行比较，得出如下结论：
（1）滞后臂零电压开关全桥变换器的效率约为93%，比传统全桥变换器提高约5%。
（2）对于输出电压负载范围的控制，滞后臂零电压开关全桥变换器的更加精确。
（3）滞后臂零电压开关全桥变换器具有较低的噪声，且更加可靠。传统全桥变换器在输出电压发生瞬变时容易产生电压跳动和EMI噪声，而滞后臂零电压开关全桥变换器可以有效地消除这些问题。
五、结论
本文介绍了一种新的全桥变换器设计——滞后臂零电压开关全桥变换器。对其原理及特点等方面进行讲解，并针对传统全桥变换器进行比较分析。实验结果表明，滞后臂零电压开关全桥变换器是一种具有优越性能的拓扑结构，它能够提高系统的可靠性和噪声，并具有很好的应用前景。
虽然本文说明了滞后臂零电压开关全桥变换器的优越性，但该结构也存在一些局限性。滞后臂电容的选择和电路参数的调整是非常关键的，其复杂度也较高。同时，该结构在高功率和高频率应用场景中的使用需要更多的考虑和优化。