電流模式控制移相全橋零電壓軟開(kāi)關(guān)(ZVS)DC/DC功率變換器(圖)

引言
　　隨著計(jì)算機(jī)與通信技術(shù)的飛速發(fā)展，作為配套設(shè)備的開(kāi)關(guān)電源也獲得了長(zhǎng)足進(jìn)步，并隨著新器件、新理論、新電磁材料和變換技術(shù)以及各種輔助設(shè)計(jì)分析軟件的不斷問(wèn)世，開(kāi)關(guān)電源的性能不斷提高。本文介紹一種新型的高頻dc/dc開(kāi)關(guān)變換器，并成功地應(yīng)用在軍用充電機(jī)上。

dc/dc變換器主電路
　　改進(jìn)型移相全橋zvs dc/dc變換器主電路結(jié)構(gòu)和各點(diǎn)波形對(duì)照如圖1、圖2所示。

　　由于電路工作狀態(tài)在一個(gè)周期內(nèi)可以分為兩個(gè)完全一樣的過(guò)程，所以以下僅僅分析半個(gè)周期的情況，而這半個(gè)周期又可分為以下三種開(kāi)關(guān)模態(tài)。

　　● 開(kāi)關(guān)模態(tài)1，t01，其中t1=dts/2
　　此時(shí)q1和q4同時(shí)導(dǎo)通，變壓器副邊電感l1和整流管ds2導(dǎo)通，原邊能量向負(fù)載端傳遞。此模態(tài)的等效電路見(jiàn)圖3。
　　其中，a為變壓器變比，vin是直流母線電壓，i1和i2分別是電感l1和l2電流(l1=l2=ls)，此時(shí)有等式（1）成立。　　　　　　
　　　　　　　　(1)
　　　　　　　　　　　　(2)
　　ip(t)=ai1(t)　　　　　　　　　　　(3)
　　當(dāng)q4關(guān)斷時(shí)該模態(tài)過(guò)程結(jié)束。

　　● 開(kāi)關(guān)模態(tài)2，t12，其中t2≤ts/2
　　在t1時(shí)刻關(guān)斷q4，此時(shí)副邊電感l1中儲(chǔ)存的能量給q4電容(或并聯(lián)電容)充電，同時(shí)將q3兩端電容電荷放掉。為了實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)，q4關(guān)斷和q3開(kāi)通之間至少要存在一死區(qū)時(shí)間 δt1，使得在q3開(kāi)通前d3首先導(dǎo)通，且有下式成立。
ip1δt1=2ceffvin　　　　　　　　　　(4)
　　其中ceff是開(kāi)關(guān)管漏源兩端等效電容，ip1為t1時(shí)刻變壓器原邊流過(guò)電流。當(dāng)d3導(dǎo)通后，變壓器副邊兩個(gè)二極管ds1和ds2同時(shí)導(dǎo)通，電路工作在續(xù)流狀態(tài)。此時(shí)等效電路如圖4所示。
　　　　　　　　　　
　　此時(shí)有如下電路方程成立。
 　　　　　　　　　　(5)
　　　　　　　　　　 (6)
　　 (7)
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(8)
rt=rmosfet+rxfmr　　　　　　　　　　　　　　　　 (9)

 
　　其中d為脈沖占空比，fs為電路工作頻率，l’ik為主邊變壓器漏感(或與外接電感的串聯(lián)值)，rt是變壓器原邊等效電阻，τ是原邊等效電流衰減時(shí)間常數(shù)，vfp是反并聯(lián)二極管導(dǎo)通壓降。

　　● 開(kāi)關(guān)模態(tài)3，t23，其中t3=ts/2
　　處于該模態(tài)時(shí)，電路原邊導(dǎo)通情況與以上的模態(tài)2一致。此時(shí)由于換流過(guò)程結(jié)束，ds2關(guān)斷，所以等效電路如圖5所示。
　　此時(shí)有電路方程如下。
　　
　　這時(shí)i1、i2與模態(tài)2相同，但是ds1中將流過(guò)全部的負(fù)載電流。當(dāng)q1關(guān)斷時(shí)該模態(tài)結(jié)束，此時(shí)副邊電感l2中存儲(chǔ)的能量同時(shí)給開(kāi)關(guān)管q1和q2漏源端電容充電和放電。
　　q1關(guān)斷后，d2和d3將導(dǎo)通，這時(shí)候就可以給q2和q3以開(kāi)通觸發(fā)信號(hào)了，當(dāng)電流反向后，q2、q3導(dǎo)通，能量再次從原邊傳遞到副邊，于是q2、q3都是零電壓開(kāi)通。由于對(duì)稱性，剩下的半個(gè)周期的工作狀況與以上完全相同。由此可以得到負(fù)載端輸出電壓，注意它與一般的全波整流電路之間的1/2倍的關(guān)系。
　　(13)
　　由工作原理可以得到如下結(jié)論。
　　● 超前臂開(kāi)關(guān)管和滯后臂開(kāi)關(guān)管的zvs都利用了次級(jí)輸出濾波電感的能量來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此串聯(lián)在原邊的電感值可以大大減小，甚至可以不需要串聯(lián)電感，只用變壓器的原邊漏感。
　　● 軟開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)時(shí)能量由副邊電感和原邊電感共同提供，因此可以在較寬的負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)zvs。
　　● 超前臂開(kāi)關(guān)管和滯后臂開(kāi)關(guān)管實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)zvs的條件沒(méi)有基本型電路苛刻，并且由于副邊電感的影響，它們之間的軟開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)條件的差異較之基本型電路大大減小。

變換器控制電路設(shè)計(jì)
　　該控制系統(tǒng)通過(guò)采集原邊母線電流、副邊側(cè)輸出電壓來(lái)構(gòu)成電流內(nèi)環(huán)和電壓外環(huán)兩個(gè)控制閉環(huán)，原理框圖如圖6所示。ucc3895是美國(guó)ti公司生產(chǎn)的一種高性能電流/電壓移相pwm控制器，是uc3875(79)的改進(jìn)型，適合于移相全橋電路，同時(shí)配合零電壓開(kāi)關(guān)工作以實(shí)現(xiàn)在高頻時(shí)的局部軟開(kāi)關(guān)性能，除了具有uc3875(79)的功能外，最大的改進(jìn)是增加了自適應(yīng)死區(qū)設(shè)置，以適應(yīng)負(fù)載變化時(shí)不同的準(zhǔn)諧振軟開(kāi)關(guān)要求，bcdmos工藝使得芯片的功耗更小，工作頻率更高。

　　從圖6所示的原理框圖可以看出，原邊母線電流通過(guò)電流互感器隔離采集得到，該信號(hào)再通過(guò)濾波以及斜坡補(bǔ)償電路后得到電流控制信號(hào)，而輸出電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)tl431調(diào)節(jié)后經(jīng)過(guò)光耦隔離，再與設(shè)定電壓參考值比較得到電壓控制信號(hào)。電流和電壓控制信號(hào)輸入移相pwm控制器ucc3895后經(jīng)由芯片內(nèi)部比較器以及脈沖產(chǎn)生電路得到四路pwm控制信號(hào)，但是有一點(diǎn)必須注意，那就是ucc3895的驅(qū)動(dòng)能力很弱，所以必須將這些控制信號(hào)加以功率放大并隔離，然后才能驅(qū)動(dòng)主電路的兩個(gè)橋臂中的開(kāi)關(guān)管。其中，采用母線電流的好處是它能反映同一橋臂上下開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通情況，從而為開(kāi)關(guān)管的保護(hù)電路提供一定的依據(jù)。另外，該方案成功與否的關(guān)鍵就是斜坡補(bǔ)償電路以及隔離驅(qū)動(dòng)電路。

仿真結(jié)果
　　pspice是電子輔助設(shè)計(jì)(eda)中用來(lái)分析電路的工具之一，它不僅可以通過(guò)計(jì)算機(jī)來(lái)模擬電路的直流工作點(diǎn)、增益、頻率特性等，還可以用來(lái)仿真數(shù)字電路的邏輯運(yùn)算，還擁有傅立葉分析、蒙特卡羅分析、最壞情況分析等特殊功能，使初步的電路設(shè)計(jì)完全可以在計(jì)算機(jī)上完成。

　　該電路的輸入電壓參數(shù)可以通過(guò)改變輸入交流電壓的幅值來(lái)設(shè)置，仿真電路如圖7所示，仿真的主要參數(shù)如下。

　　電路工作頻率為100khz，輸入直流母線電壓為250～360v，諧振電感為10μh，主變壓器變比為1:1，副邊倍流整流器電感為30μh，母線電流互感器電流采樣比例為1:20，負(fù)載電阻為10.7ω，仿真設(shè)置時(shí)間為10ms。

　　電路軟起動(dòng)波形如圖8所示，注意圖中的小方塊是該軟件所設(shè)定的標(biāo)注。由圖可以看出，在上電后pwm脈沖波形是逐漸展開(kāi)的，這一點(diǎn)對(duì)于防止主變壓器的偏磁非常重要。而且在軟起動(dòng)過(guò)程中，eap端電壓v(eap)和外接軟起動(dòng)電容兩端電壓vss之間的箝位關(guān)系，圖中v(r32:1)是負(fù)載端電壓。

　　軟開(kāi)關(guān)的效果圖如圖9、圖10所示，通過(guò)圖中時(shí)間標(biāo)注虛線可以看出該開(kāi)關(guān)管是零電壓開(kāi)通電壓關(guān)端的。在開(kāi)通時(shí)，柵源電壓上升到柵平臺(tái)時(shí)漏源電壓已經(jīng)為零，而電流在經(jīng)過(guò)反并聯(lián)二極管的反向恢復(fù)后開(kāi)始由零值處上升；而在關(guān)斷時(shí)，由于igbt少數(shù)載流子存儲(chǔ)效應(yīng)產(chǎn)生的電流拖尾，所以軟關(guān)斷不很明顯。

結(jié)語(yǔ)
　　該電路設(shè)計(jì)方案結(jié)合了電流模式控制、移相pwm控制、倍流整流器電路、最新驅(qū)動(dòng)芯片以及專門設(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)器件的一些優(yōu)點(diǎn)。從實(shí)驗(yàn)波形來(lái)看，變換器的超前與滯后橋臂開(kāi)關(guān)器件均能很好地實(shí)現(xiàn)零電壓軟開(kāi)關(guān)，并且零電壓軟開(kāi)關(guān)的實(shí)現(xiàn)條件以及兩個(gè)橋臂軟開(kāi)關(guān)的差異也比基本型電路小。除此之外，采用倍流整流器電路后，變換器的設(shè)計(jì)也更加簡(jiǎn)單。采用仿真手段能給開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)提供極大的幫助，尤其是在采用新方案或是新電路拓?fù)鋾r(shí)。