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引言 隨著計算機與通信技術(shù)的飛速發(fā)展，作為配套設(shè)備的開關(guān)電源也獲得了長足進步，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)計分析軟件的不斷問世，開關(guān)電源的性能不斷提高。本文介紹一種新型的高頻DC/DC開關(guān)變換器，并成功地應(yīng)用在軍用充電機上。 DC/DC變換器主電路 改進型移相全橋ZVS DC/DC變換器主電路結(jié)構(gòu)和各點波形對照如圖1、圖2所示。 由于電路工作狀態(tài)在一個周期內(nèi)可以分為兩個完全一樣的過程，所以以下僅僅分析半個周期的情況，而這半個周期又可分為以下三種開關(guān)模態(tài)。 ● 開關(guān)模態(tài)1，t0 此時Q1和Q4同時導(dǎo)通，變壓器副邊電感L1和整流管DS2導(dǎo)通，原邊能量向負載端傳遞。此模態(tài)的等效電路見圖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)，此時有等式（1）成立。 Ip(t)=aI1(t) (3) 當(dāng)Q4關(guān)斷時該模態(tài)過程結(jié)束。 ● 開關(guān)模態(tài)2，t1 在t1時刻關(guān)斷Q4，此時副邊電感L1中儲存的能量給Q4電容(或并聯(lián)電容)充電，同時將Q3兩端電容電荷放掉。為了實現(xiàn)軟開關(guān)，Q4關(guān)斷和Q3開通之間至少要存在一死區(qū)時間 Δt1，使得在Q3開通前D3首先導(dǎo)通，且有下式成立。 Ip1Δt1=2CeffVin (4) 其中Ceff是開關(guān)管漏源兩端等效電容，IP1為t1時刻變壓器原邊流過電流。當(dāng)D3導(dǎo)通后，變壓器副邊兩個二極管DS1和DS2同時導(dǎo)通，電路工作在續(xù)流狀態(tài)。此時等效電路如圖4所示。 此時有如下電路方程成立。 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間常數(shù)，Vfp是反并聯(lián)二極管導(dǎo)通壓降。 ● 開關(guān)模態(tài)3，t2 處于該模態(tài)時，電路原邊導(dǎo)通情況與以上的模態(tài)2一致。此時由于換流過程結(jié)束，DS2關(guān)斷，所以等效電路如圖5所示。 此時有電路方程如下。 這時I1、I2與模態(tài)2相同，但是DS1中將流過全部的負載電流。當(dāng)Q1關(guān)斷時該模態(tài)結(jié)束，此時副邊電感L2中存儲的能量同時給開關(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，這時候就可以給Q2和Q3以開通觸發(fā)信號了，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都是零電壓開通。由于對稱性，剩下的半個周期的工作狀況與以上完全相同。由此可以得到負載端輸出電壓，注意它與一般的全波整流電路之間的1/2倍的關(guān)系。 由工作原理可以得到如下結(jié)論。 ● 超前臂開關(guān)管和滯后臂開關(guān)管的ZVS都利用了次級輸出濾波電感的能量來實現(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。 ● 軟開關(guān)實現(xiàn)時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載范圍內(nèi)實現(xiàn)ZVS。 ● 超前臂開關(guān)管和滯后臂開關(guān)管實現(xiàn)軟開關(guān)ZVS的條件沒有基本型電路苛刻，并且由于副邊電感的影響，它們之間的軟開關(guān)實現(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 該控制系統(tǒng)通過采集原邊母線電流、副邊側(cè)輸出電壓來構(gòu)成電流內(nèi)環(huán)和電壓外環(huán)兩個控制閉環(huán)，原理框圖如圖6所示。UCC3895是美國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)的改進型，適合于移相全橋電路，同時配合零電壓開關(guān)工作以實現(xiàn)在高頻時的局部軟開關(guān)性能，除了具有UC3875(79)的功能外，最大的改進是增加了自適應(yīng)死區(qū)設(shè)置，以適應(yīng)負載變化時不同的準諧振軟開關(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，原邊母線電流通過電流互感器隔離采集得到，該信號再通過濾波以及斜坡補償電路后得到電流控制信號，而輸出電壓信號經(jīng)過TL431調(diào)節(jié)后經(jīng)過光耦隔離，再與設(shè)定電壓參考值比較得到電壓控制信號。電流和電壓控制信號輸入移相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，但是有一點必須注意，那就是UCC3895的驅(qū)動能力很弱，所以必須將這些控制信號加以功率放大并隔離，然后才能驅(qū)動主電路的兩個橋臂中的開關(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關(guān)管的導(dǎo)通情況，從而為開關(guān)管的保護電路提供一定的依據(jù)。另外，該方案成功與否的關(guān)鍵就是斜坡補償電路以及隔離驅(qū)動電路。 仿真結(jié)果 PSPICE是電子輔助設(shè)計(EDA)中用來分析電路的工具之一，它不僅可以通過計算機來模擬電路的直流工作點、增益、頻率特性等，還可以用來仿真數(shù)字電路的邏輯運算，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)計完全可以在計算機上完成。 該電路的輸入電壓參數(shù)可以通過改變輸入交流電壓的幅值來設(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，負載電阻為10.7Ω，仿真設(shè)置時間為10ms。 電路軟起動波形如圖8所示，注意圖中的小方塊是該軟件所設(shè)定的標注。由圖可以看出，在上電后PWM脈沖波形是逐漸展開的，這一點對于防止主變壓器的偏磁非常重要。而且在軟起動過程中，eap端電壓V(EAP)和外接軟起動電容兩端電壓VSS之間的箝位關(guān)系，圖中V(R32:1)是負載端電壓。 軟開關(guān)的效果圖如圖9、圖10所示，通過圖中時間標注虛線可以看出該開關(guān)管是零電壓開通電壓關(guān)端的。在開通時，柵源電壓上升到柵平臺時漏源電壓已經(jīng)為零，而電流在經(jīng)過反并聯(lián)二極管的反向恢復(fù)后開始由零值處上升；而在關(guān)斷時，由于IGBT少數(shù)載流子存儲效應(yīng)產(chǎn)生的電流拖尾，所以軟關(guān)斷不很明顯。 結(jié)語 該電路設(shè)計方案結(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)動芯片以及專門設(shè)計的開關(guān)器件的一些優(yōu)點。從實驗波形來看，變換器的超前與滯后橋臂開關(guān)器件均能很好地實現(xiàn)零電壓軟開關(guān)，并且零電壓軟開關(guān)的實現(xiàn)條件以及兩個橋臂軟開關(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)計也更加簡單。采用仿真手段能給開關(guān)電源設(shè)計提供極大的幫助，尤其是在采用新方案或是新電路拓撲時。 |
