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1  概述

　　由于開關電源具有體積小、重量輕、效率高等特點，被世界各國越來越重視。直流電源系統是發電廠、水電站以及35kV～500kV變電站中不可缺少的二次設備，主要為斷路器分合閘、二次回路的儀表儀器、應急燈光照明等設備提供直流操作電源，由充電電源、蓄電池組、降壓硅調節器等組成。充電電源給蓄電池充電，當電網存在故障時則由蓄電池組供電，可以說充電電源的性能決定著直流電源系統的性能。傳統的充電電源是相控電源，PWM開關電源，存在著種種缺點：效率低、紋波大、體積大。隨著閥控密封鉛酸電池的廣泛應用，對原有的充電電源系統提出了更高的性能要求。閥控密封鉛酸電池對溫度的反應靈敏，不允許欠充或過充，因此傳統的充電裝置不能滿足其要求。

　　目前大功率的直流充電電源多采用全橋移相技術，可分為兩大類：全橋移相零電壓(ZVS PWM)變換和全橋移相零電壓零電流(ZVZSC PWM)變換。全橋移相零電壓器利用電壓器的漏感和原邊串聯的諧振電感與功率元件(MOSEET)的寄生電容產生諧振實現軟開關。由于滯后臂難實現零電壓開關，所以串聯的諧振電感電流通常比較大，導致副邊占空比的損失，全橋移相零電壓零電流變換器超前臂實現零電壓， 滯后臂實現零電流。但是原邊存在環流。而且這種控制方式多用于IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，從而使得開關頻率比較低，不利于減少變換器的體積和重量。

　　本文對電力充電電源采用全橋移相零電壓技術。通過飽和電感來減少副邊占空比的損失方法，可在較大負載范圍內實現零電壓開關，降低開關應力，減少開關損耗，提高系統可靠性和效率。

2  ZVS PWM全橋變換器工作原理

　　全橋移相式零電壓軟開關電源通過改變兩臂對角線上下管驅動電壓移相角的大小來調節輸出電壓，這種方式是讓超前臂管柵壓領先于滯后臂管柵壓一個相位，并在IC控制端對同一橋臂的兩個反相驅動電壓設置不同的死區時間，同時利用變壓器的漏感和功率管的寄生電容來完成諧振過程以實現零電壓開通，從而錯開了功率器件電流與電壓同時處于較高值的硬開關狀態，并有效克服了感性關斷電壓尖峰和容性開通時管溫過高的缺點，減少了開關損耗和干擾。
 
　　全橋移相零電壓變換器主電路如圖1，C5是隔直電容，保護變壓器避免飽和。Lr是飽和電感，相當于一個開關，有電流時電感飽和，相當于短路，沒有電流時相當于開路。

　　在一個開關周期中，移相零電壓開關軟開關變換器有12 種開關狀態，各開關的工組描述下：

　　(1)  開關模態0

　　在t0時刻以前，QA和QD導通。原邊電流由電源經過，QA諧振電感Lr變壓器原邊繞組以及QD最后回到電源負端。此時，C1和C4電壓為零，C2和C3電壓為Vin。

　　(2)  開關模態1
在t0時刻，關斷QA原邊C1和C2支路中，C1被充電；而C2，由于C1和C2，QA是零電壓關斷。直到時刻t1，C2的電壓下降到零，D2自然導通，開關模態1結束。

　　(3)  開關模態2

　　D2導通后，打開QB，原邊電流由D2中流過，QB沒有電流。由于QB是在D2導通時打開，所以是零電壓關斷。

　　(4)  開關模態3

　　在t2時刻，關斷QD，原邊電流由C4和C3提供，即C3放電，C4充電。由于C4和C3的存在，所以QD，是零電壓關斷，此時實際上是諧振電感和電容C4，C3在諧振工作，直到t3時刻C4的電壓上升到Vin，D3自然導通，結束這一開關模態。

　　(5)  開關模態4

　　在t3時刻，D3由于導通，QC的電壓被箝位到零，打開QC實現零電壓開通。到t4時刻，原邊電流下降到零，D2和D3自然關斷，QB和QC將通過電流。

　　(6)  開關模態5

　　在t4時刻，原邊電流由正值過零，逐步向負方向增大，此時QB和QC為原邊電流提供回路。在t5時刻，原邊的電流達到折算到原邊的負載電流，結束這一開關模態。

　　(7)  開關模態6

　　在這段時間里，電源通過QB和QC回路給負載供電，直到QB關斷，變換器開始下半周期的工作，其工作情況類似上述的半個周期。

3  電路設計

　　(1)  諧振電感設計

　　開關管采用富士的2SK962，兩只并聯，最小電流取Imin=5/3A，輸出采用三相橋式整流輸入電壓Vin=500V，忽略變壓器的原邊寄生電容。

　　(2)  輸出濾波電感設計

　　由于輸出電感的電流是單方向流動的，且基本是一個直流，并疊加一個的2倍于開關頻率的交流分量，所以其工作時的磁通密度可以接近飽和磁通密度。工程設計中一般的采用經驗算法，電感量估算公式為：

　　其中VOmin為輸出直流電壓的最小值，fg為開關頻率，IOmax為滿載輸出電流，n為變壓器變化，Vin為變壓器原邊輸出電壓，VD為整流二極管導通壓降。

(3)  輸出電壓和檢測

　　輸出電壓通過一個線性的光耦(HP7840)，額定電壓工作時通過一個運算放大器后得到一個5V電壓。

圖2 輸出電流檢測電路圖