一種零電壓零電流全橋移相開關(guān)電源的設(shè)計(jì)

一種零電壓零電流全橋移相開關(guān)電源的設(shè)計(jì)

采用以全橋移相控制軟開關(guān)全橋位移平緩開關(guān)具有簡單的結(jié)構(gòu)、高輸出和高輸出壓縮率。軟開關(guān)和開開器的電壓損失極大，在中大規(guī)模應(yīng)用中引起了廣泛關(guān)注。而以往的全橋PWM開關(guān)電源,功率器件處于硬開關(guān)狀態(tài),在較大的電壓、電流應(yīng)力下實(shí)現(xiàn)開關(guān),因此產(chǎn)生很大的開關(guān)損耗,降低了電源運(yùn)行的可靠性。在DC/DC變換器中,則多采用以全橋移相控制軟開關(guān)PWM變換器,它是直流電源實(shí)現(xiàn)高頻化的理想拓?fù)渲?尤其是在中、大功率變換器應(yīng)用場合。用軟開關(guān)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的DC/DC變換器其效率可達(dá)90%以上,本文就由UC3875芯片組成3kWDC/DC變換器作了分析和研究。1主電路操作原理和主電路設(shè)備的選擇1.1主要電路操作原理1.1.1功率開關(guān)組件全橋移相ZVS-PWM變換器的主電路如圖1所示。其主要工作波形如圖2所示。僅需在全橋電路上增加一個(gè)諧振電感L1或利用變壓器漏感,便可通過L1與功率開關(guān)管輸出電容Ci(i=1,2,3,4)的諧振,在電感儲(chǔ)能釋放過程中,使Ci上的電壓uCi逐步下降到零,而使功率開關(guān)管體內(nèi)的寄生二極管VDi(i=1,2,3,4)開通,從而使電路中4個(gè)開關(guān)器件實(shí)現(xiàn)零電壓開通或零電流關(guān)斷。通過改變對角線上開關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)之間的相位差來改變占空比,以達(dá)到控制輸出電壓的目的。變壓器副邊所接整流二極管VD5、VD6實(shí)現(xiàn)全波整流。功率開關(guān)器件S1驅(qū)動(dòng)信號(hào)uge1與S4驅(qū)動(dòng)信號(hào)uge4相同,S2驅(qū)動(dòng)信號(hào)uge2與S3驅(qū)動(dòng)信號(hào)uge3相同,而且uge1、uge4與uge2、uge3互為反相。當(dāng)uge1與uge4為低電平,uge2與uge3為高電平時(shí),開關(guān)管S2和S3導(dǎo)通,S1和S4關(guān)斷,電源電壓通過S2和S3施加在高頻變壓器的原邊,此時(shí)變壓器的原邊電壓為uAB=Ui。當(dāng)uge1與uge4為高電平,uge2與uge3為低電平時(shí),開關(guān)管S1和S4導(dǎo)通,S2和S3關(guān)斷,電源電壓通過S1和S4施加在高頻變壓器的原邊,此時(shí)變壓器的原邊電壓為uAB=-Ui。1.1.2zvs工作原理由于功率開關(guān)器件實(shí)現(xiàn)了零電壓開關(guān),從而減小了開關(guān)損耗,提高了電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性,但是ZVS-PWM變換器仍存在占空比丟失嚴(yán)重、環(huán)路導(dǎo)通損耗大等缺點(diǎn)。因而新型的變換器———零電壓零電流(ZVZCS)PWM由此產(chǎn)。ZVZCS-PWM改善了器件的運(yùn)行狀態(tài),實(shí)現(xiàn)了變換器的零電壓零電流開關(guān)特性,在通信等開關(guān)電源上已推廣使用。全橋移相ZVZCS-PWM變換器如圖3所示。它在全橋移相ZVS的基礎(chǔ)上增加了兩只阻斷二極管VD7、VD8,省去了滯后臂上的吸收電容,并在主回路上增加了一個(gè)阻斷電容C5。主回路四個(gè)開關(guān)管(IGBT)的控制信號(hào)與移相全橋ZVS是完全一致,通過移相方式控制主回路的有效占空比。阻斷電容C5和阻斷二極管VD7、VD8配合,能夠使全橋滯后臂上的主開關(guān)管(S3、S4)達(dá)到零電流開關(guān)(ZCS)的效果,而超前臂上的主開關(guān)管(S1、S2)仍然處于零電壓開關(guān)(ZVS)的狀態(tài)。下面分析其工作過程。ZVZCS的主要波形圖如圖4所示。零電壓零電流變換器電路中,根據(jù)開關(guān)管控制電壓作用不同可分以下幾種工作模式。(1)模式一(T0-T1)S1、S4導(dǎo)通,UAB=Ui,變壓器初級(jí)向次級(jí)傳遞能量,阻斷電容C5上電壓線性上升。(2)模式二(T1-T2)S1關(guān)斷,S4仍導(dǎo)通,S1兩端并聯(lián)電容C1充電至Ui,S2兩端并聯(lián)電容放電至零時(shí),S2的反并二級(jí)管D2導(dǎo)通。若S2隨后導(dǎo)通,即為零電壓導(dǎo)通。(3)模式三(T2-T3)S2、S4導(dǎo)通,UAB=0,阻斷電容C5電壓全部加在變壓器T漏感上,初級(jí)電流線性下降至零,并由于阻斷二極管VD8阻止初級(jí)電流反向流動(dòng),變壓器初級(jí)無電流流過,并將保持為零。(4)模式四(T3-T4)S4關(guān)斷,S2導(dǎo)通,由于初級(jí)無電流流過,S4關(guān)斷為零電流關(guān)斷,電路處于開路狀態(tài)。(5)模式五(T4-T5)S2、S3導(dǎo)通,初級(jí)電流瞬時(shí)仍保持為零,隨后初級(jí)電流增大,阻斷電容電壓線性下降,變壓器初級(jí)向次級(jí)傳遞能量,開始下半個(gè)對稱周期。從以上分析可以看出,超前臂上的兩只主開關(guān)器(S1、S2)處于ZVS狀態(tài),其開通損耗為零,同時(shí)由于電容C1、C2的存在,降低了主開關(guān)管關(guān)斷時(shí)電壓的上升斜率,關(guān)斷損耗也得到降低,其軟開關(guān)效果與移相全橋ZVS完全一致,與移相全橋ZVS不同的是滯后臂上的兩只主開關(guān)管(S3、S4)處于ZCS狀態(tài),其關(guān)斷損耗為零,同時(shí)由于阻斷二極管VD7、VD8的存在,降低了主開關(guān)管開通時(shí)電流的上升斜率。ZCS的工作方式使IGBT因電流拖尾而引起的損耗得到很好的抑制,使整個(gè)開關(guān)損耗大大降低。1.2變壓器i的選擇輸出功率Po有3KW,輸出要求24V的穩(wěn)定電壓Uo,這樣額定輸出電流為IP即:效率要求在95%,所以,變壓器的電壓通過計(jì)算220V交流輸入后經(jīng)過整流電路整流輸出通過計(jì)算經(jīng)過BOOST斬波電路的升壓作用后,在斬波電路的輸出端得到了450V的電壓輸出,同時(shí),這個(gè)輸出也是逆變電路的輸入電壓。在變壓器的作用下,原邊電壓是450V,副邊電壓26V。這樣的話就要求變壓器的匝數(shù)比為17:1。副邊電流為125A,通過計(jì)算,原邊電流I結(jié)果得到變壓器的變壓比為17:1。流過IGBT的電流為7.35A,加在IGBT兩端的正向電壓為450V,據(jù)此選擇IGBT可以選擇日本三社的GCA20AA120,它可以承受1200V的電壓和20A的電流。逆變橋上的電容可以選用2200P的電容。(2)變壓器的選擇為適應(yīng)開關(guān)電源輕、小、薄的要求,需要增大其開關(guān)頻率,但在大功率的情況下,頻率越高,功率管開通與截止損耗也會(huì)增大。本電路選用鐵基納米晶合金鐵芯,它具有高導(dǎo)磁率,低損耗和優(yōu)良的溫度特性,廣泛應(yīng)用于推挽或橋式高頻大功率逆變電源和開關(guān)電流中的主變壓器鐵芯。2控制線路設(shè)計(jì)2.1uc單裝換器UC3875芯片是美國UNITRODE公司生產(chǎn)的移相式準(zhǔn)諧振變換器控制集成電路,它可用于橋式準(zhǔn)諧振變換器控制中,既可用來控制零電壓準(zhǔn)諧振變換器,也可用來控制零電流準(zhǔn)諧變換器。其外型既有標(biāo)準(zhǔn)雙列直插式的20引腳封裝,也有小型雙列面貼裝成28引腳封裝和方形28引腳塑料封裝等多種封裝形式。UC3875的核心是相位調(diào)制器,其B輸出信號(hào)與A輸出信號(hào)反相,D輸出信號(hào)與C輸出信號(hào)反相,A、C輸出信號(hào)的移相相同,B、D輸出信號(hào)移相類似。每個(gè)輸出級(jí)導(dǎo)通前都有一個(gè)死區(qū),而且死區(qū)時(shí)間可以調(diào)整。因此,每對輸出級(jí)(A/B,C/D)的諧振開關(guān)作用時(shí)間可以單獨(dú)控制。2.2開關(guān)元件的移相設(shè)置圖5為UC3875構(gòu)成的移相全橋變換器電路。在移相全橋開關(guān)電路中,驅(qū)動(dòng)信號(hào)不僅要驅(qū)動(dòng)橋的兩個(gè)對角臂,還要使兩個(gè)對角橋臂的導(dǎo)通有一定的時(shí)間延時(shí),有效占空比由圖6所示的延遲時(shí)間控制。由于兩個(gè)橋臂的開關(guān)元件不是同時(shí)被驅(qū)動(dòng)的,所以需要精確設(shè)置“移相”導(dǎo)通波形之間的延遲時(shí)間間隔,延遲時(shí)間間隔由諧振控制電路的電壓回路進(jìn)行調(diào)節(jié),最終充當(dāng)兩個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的移相信號(hào)。此時(shí)串聯(lián)在變壓器的上半橋或下半橋中的兩個(gè)開關(guān)管均處于導(dǎo)通狀態(tài),而變壓器在開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)刻的電壓為零,即變壓器的初級(jí)處于短接狀態(tài),并箝位初級(jí)電流保持原值。當(dāng)半橋中的一個(gè)開關(guān)器件經(jīng)適當(dāng)?shù)难舆t時(shí)間后關(guān)斷時(shí),變壓器初級(jí)電流又流過該開關(guān)管的輸出寄生電容,從而與開關(guān)管的漏極電壓諧振且與電壓反相,