電流模式控制移相全橋零電壓軟開關DC

引言隨著計算機與通信技術的飛速發(fā)展，作為配套設備的開關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以及各種輔助設計分析軟件的不斷問世，開關電源的性能不斷提高。本文介紹一種新型的高頻DC/DC開關變換器，并成功地應用在軍用充電機上。DC/DC變換器主電路改進型移相全橋ZVSDC/DC變換器主電路結構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模態(tài)。?開關模態(tài)1，t0<t<t］，其中t1=DTs/2此時Q1和Q4同時導通，變壓器副邊電感L1和整流管DS2導通，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=L2二LS），此時有等式（1）成立。 ,■ 1:|-h（t）二i時￡^^t

Ip(t)=aIi(t)當Q4關斷時該模態(tài)過程結束。?開關模態(tài)2,t1<t<t2，其中&忍Ts/2在t1時刻關斷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，Q4關斷和Q3開通之間至少要存在一死區(qū)時間△t1,使得在Q3開通前D3首先導通，且有下式成立。Ipi^ti=2CeffVin ⑷其中Ceff是開關管漏源兩端等效電容，IP1為t1時刻變壓器原邊流過電流。當D3導通后，變壓器副邊兩個二極管DS1和DS2同時導通，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。此時有如下電路方程成立。VfuVfPDTs/nrt=rmosfet+rxfmrikik為主邊變壓器漏感(或與是原邊等效電流衰減時間常其中D為脈沖占空比，fS為電路工作頻率，L’外接電感的串聯(lián)值)，rt是變壓器原邊等效電阻，T數(shù)，Vfp是反并聯(lián)二極管導通壓降。?開關模態(tài)3,t2<t<t3,其中t3=Ts/2處于該模態(tài)時，電路原邊導通情況與以上的模態(tài)2一致。此時由于換流過程結束，DS2關斷，所以等效電路如圖5所示。(10)(10)(11)(13)亨)一器(t普Ip(t)二垃2(? 好這時11、I2與模態(tài)2相同，但是DS1中將流過全部的負載電流。當Q1關斷時該模態(tài)結束，此時副邊電感L2中存儲的能量同時給開關管Q1和Q2漏源端電容充電和放電。Q1關斷后，D2和D3將導通，這時候就可以給Q2和Q3以開通觸發(fā)信號了，當電流反向后，Q2、Q3導通，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倍的關系。(13)(13)由工作原理可以得到如下結論。?超前臂開關管和滯后臂開關管的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。?超前臂開關管和滯后臂開關管實現(xiàn)軟開關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。變換器控制電路設計該控制系統(tǒng)通過采集原邊母線電流、副邊側輸出電壓來構成電流內(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工作以實現(xiàn)在高頻時的局部軟開關性能，除了具有UC3875(79)的功能外，最大的改進是增加了自適應死區(qū)設置，以適應負載變化時不同的準諧振軟開關要求，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，然后才能驅動主電路的兩個橋臂中的開關管。其中，采用母線電流的好處是它能反映同一橋臂上下開關管的導通情況，從而為開關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鍵就是斜坡補償電路以及隔離驅動電路。

仿真結果PSPICE是電子輔助設計(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10pH，主變壓器變比為1:1，副邊倍流整流器電感為30pH，母線電流互感器電流采樣比例為1:20，負載電阻為10.7。，仿真設置時間為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之間的箝位關系，圖中V(R32:1)是負載端電壓。軟開關的效果圖如圖9、圖10所示，通過圖中時間標注虛線可以看出該開關管是零電壓開通電壓關端的。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)二極管的反向恢復后開始由零值處上升；而在關斷時，由于IGBT少數(shù)載流子存儲效應產(chǎn)生的電流拖尾，所以軟關斷不很明顯。結語該電路設計方案結合了電流模式控制、移相PWM控制、倍流整流器電路、最新驅動芯片以及專門設計的開關器件的一些優(yōu)點。從實驗波形來看