移相全橋ZVS變換器的原理與設(shè)計(jì)

移相全橋ZVS變換器的原理與設(shè)計(jì)

摘要：介紹移相全橋ZVS變換器的原理，并用UC3875控制器研制成功3kW移相全橋零電壓高頻通信開(kāi)關(guān)電源。

關(guān)鍵詞：移相全橋零電流開(kāi)關(guān)零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振

The Principle and Design of Phase? shifted Full? bridge Zero? voltage Convertor

Abstract： The paper introduces the principle of phase? shifted full? bridge zero? voltage? switching convertor.A 3kw full? bridge ZVS convertor was developed using UC3875 controller.

Keywords: Phase? shifted full? bridge, ZCS, ZVS, Quasi? resonance

中圖法分類號(hào)：TN86文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：0219?2713(2000)11?572?03

1引言

　　傳統(tǒng)的全橋PWM變換器適用于輸出低電壓(例如5V)、大功率(例如1kW)的情況，以及電源電壓和負(fù)載電流變化大的場(chǎng)合。其特點(diǎn)是開(kāi)關(guān)頻率固定，便于控制。為了提高變換器的功率密度，減少單位輸出功率的體積和重量，需要將開(kāi)關(guān)頻率提高到1MHz級(jí)水平。為避免開(kāi)關(guān)過(guò)程中的損耗隨頻率增加而急劇上升，在移相控制技術(shù)的基礎(chǔ)上，利用功率MOS管的輸出電容和輸出變壓器的漏電感作為諧振元件，使全橋PWM變換器四個(gè)開(kāi)關(guān)管依次在零電壓下導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)恒頻軟開(kāi)關(guān)，這種技術(shù)稱為ZVS零電壓準(zhǔn)諧振技術(shù)。由于減少了開(kāi)關(guān)過(guò)程損耗，可保證整個(gè)變換器總體效率達(dá)90％以上，我們以Unitrode公司UC3875為控制芯片研制了零電壓準(zhǔn)諧振高頻開(kāi)關(guān)電源樣機(jī)。本文就研制過(guò)程，研制中出現(xiàn)的問(wèn)題及其改進(jìn)進(jìn)行論述。

2準(zhǔn)諧振開(kāi)關(guān)電源的組成

　　ZVS準(zhǔn)諧振高頻開(kāi)關(guān)電源是一個(gè)完整的閉環(huán)系統(tǒng)，它包括主電路、控制電路及CPU通訊和保護(hù)電路，如圖1所示。

　　從圖1可以看出準(zhǔn)諧振開(kāi)關(guān)電源的組成與傳統(tǒng)PWM開(kāi)關(guān)電源的結(jié)構(gòu)極其相似，不同的是它在DC/DC變換電路中采用了軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，即準(zhǔn)諧振變換器（QRC）。它是在PWM型開(kāi)關(guān)變換器基礎(chǔ)上適當(dāng)?shù)丶由现C振電感和諧振電容而形成的，由于運(yùn)行中，工作在諧振狀態(tài)的時(shí)間只占開(kāi)關(guān)周期的一部分，其余時(shí)間都是運(yùn)行在非諧振狀態(tài)，所以稱為“準(zhǔn)諧振”變換器。準(zhǔn)揩振變換器又分為兩種，一種是零電流開(kāi)關(guān)（ZCS）,一種是零電壓開(kāi)關(guān)（ZVS），零電流開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振變換器的特點(diǎn)是保證運(yùn)行中的開(kāi)關(guān)管在斷開(kāi)信號(hào)到來(lái)之前，管中電流下降到零。零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振的特點(diǎn)是保證運(yùn)行中的開(kāi)關(guān)管在開(kāi)通信號(hào)到來(lái)之前，管子兩端的電壓已經(jīng)下降到零。

3零電壓準(zhǔn)諧振變換器的工作原理

　　全橋零電壓準(zhǔn)諧振變換器的主電路如圖2所示。Uin為PFC電路輸出的直流電壓(400V)，S1～S4為功率開(kāi)關(guān)管，其體二極管為D1～D4，圖中未畫(huà)出其體電容C1～C4，Lr為變壓器T1初級(jí)串聯(lián)諧振電感，（包括變壓器的漏感），C為防止變壓器因偏磁而飽和的隔直電容，T2為電流互感器，用于檢測(cè)。當(dāng)變換器過(guò)流時(shí)，保護(hù)電路切斷驅(qū)動(dòng)信號(hào)，保護(hù)功率器件。變壓器次級(jí)電壓經(jīng)過(guò)D5、D6整流和輸出LC濾波器給負(fù)載供電。圖3給出了變壓器初級(jí)電壓UP、次級(jí)電壓US和初級(jí)電流ip的波形圖。ZVS變換器一周期內(nèi)可分為六個(gè)運(yùn)行模式，如表1所示。圖3中設(shè)t表1ZVS變換器一周期內(nèi)運(yùn)行模式

圖13kW通信開(kāi)關(guān)電源方框圖

圖2移相全橋ZVS變換器控制和輸出電路原理圖

圖3全橋ZVS?PWM變換器的主要波形

圖4移相PWM轉(zhuǎn)換器控制和驅(qū)動(dòng)原理圖

4占空比分析

　　由波形圖可見(jiàn)，由于變換器存在漏電感，使初級(jí)電流在t1～t3階段，有一定斜率，因此次級(jí)電壓占空比(t4－t3)/(t4－t0)小于初級(jí)電壓占空比(t4－t1)/(t4－t0)，造成占空比損失。開(kāi)關(guān)頻率越高，占空比損失越大。

5移相全橋兩橋臂開(kāi)關(guān)管實(shí)現(xiàn)ZVS的條件

　　由表1和圖3可以看出，S3和S4實(shí)現(xiàn)ZVS分別早于S1、S2，故稱S3、S4為右橋臂又稱超前橋臂，S1、S2為左橋臂又稱滯后臂。由表1可以看出S3、S4實(shí)現(xiàn)ZVS分別在(t0～t1)和(t4～t5)，S2、S1實(shí)現(xiàn)ZVS分別在(t2～t3)和(t6～t7)。而(t2～t3)和(t6～t7)時(shí)變壓器初級(jí)電流分別小于(t0～t1)和(t4～t5)時(shí)的初級(jí)電流，故滯后橋臂比超前橋臂實(shí)現(xiàn)ZVS開(kāi)關(guān)困難，特別是輕載時(shí)最為明顯。

　　從理論上分析，S1、S2實(shí)現(xiàn)ZVS開(kāi)關(guān)時(shí)，變壓器次級(jí)處于續(xù)流階段，諧振時(shí)由諧振電感釋放能量，使諧振電容電壓下降到零，從而實(shí)現(xiàn)ZVS，此時(shí)實(shí)現(xiàn)ZVS條件為：電感能量必須大于所有參與諧振的電容能量。即

LrIp2/2>(4Coss/3＋Cxfmr)×U2in

式中：4Coss/3是考慮MOS管輸出電容非線性等效電容值，Cxfmr是變壓器繞組的分布電容。由上式可見(jiàn)，滯后橋臂實(shí)現(xiàn)ZVS主要靠諧振電感儲(chǔ)能，輕載時(shí)能量不夠大，因此滯后橋臂不易滿足ZVS條件。

　　S3、S4實(shí)現(xiàn)ZVS開(kāi)關(guān)時(shí)，變壓器處于能量傳遞階段。初級(jí)電流IP=－Io/n（n為變壓器變比），初級(jí)等效電感Le=Lr＋n2LO。所以根據(jù)ZVS條件，電感能量必須大于所有參與諧振的電容能量，應(yīng)有Le(Io/n)2/2>（4Coss/3＋Cxfmr)Uin2。由于Le(Io/n)2/2相當(dāng)大，故即使輕載時(shí)超前橋臂也較容易滿足ZVS條件。

6移相全橋PWM控制器

　　移相全橋PWM控制技術(shù)最關(guān)鍵的是器件的導(dǎo)通相位能在0～180°范圍內(nèi)移動(dòng)，若控制不好，特別是左橋臂或右橋臂的兩個(gè)開(kāi)關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通，將導(dǎo)致災(zāi)難性的后果。Unitrode公司生產(chǎn)的UC3875能提供0～100％占空比的控制，并且有必要的保護(hù)、譯碼及驅(qū)動(dòng)功能，有四組驅(qū)動(dòng)輸出，每組的延時(shí)時(shí)間可控制，其控制電路如圖4所示。E/A＋接固定的2?5V電壓（VREF=5V,R5、R9為10kΩ)，作電壓給定信號(hào)。E/A－接對(duì)應(yīng)的輸出電壓和EA＋比較，從而控制OUTA～OUTD的相位，最終控制輸出電壓。C/S＋接控制信號(hào)(如初級(jí)過(guò)流信號(hào)等)，當(dāng)初級(jí)過(guò)流時(shí)，C/S＋大于2?5V，UC3875停止輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，從而將變換器輸出關(guān)閉，防止了災(zāi)難事故的發(fā)生。驅(qū)動(dòng)信號(hào)由OUTA～OUTD輸出，并經(jīng)TC4420擴(kuò)流，由驅(qū)動(dòng)變壓器去驅(qū)動(dòng)S1～S4MOS管，其延時(shí)時(shí)間由UC3875的7腳、15腳外接電阻確定，實(shí)際的驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)序如圖5所示。

圖5驅(qū)動(dòng)信號(hào)、變壓器次級(jí)信號(hào)波形圖

7結(jié)語(yǔ)

(1)換向死區(qū)時(shí)間的控制對(duì)實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)關(guān)很重要。

(2)UC3875控制電路的控制部分和輸出驅(qū)動(dòng)部分供電電源應(yīng)分開(kāi)，否則移相時(shí)將引起頻率變化。

　　(3)為了在寬范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)ZVS，要在變壓器初級(jí)串一個(gè)諧振電感，但諧振電感不能太大，電感太大會(huì)帶來(lái)占空比丟失，初級(jí)電流較大，導(dǎo)通損耗增大，電感發(fā)熱等問(wèn)題，并且效率大大降低。

　　根據(jù)中國(guó)電信總局1999年底對(duì)所有入網(wǎng)通信電源效率的要求：所有大于1kW的通信電源，其效率(從半載到滿載)應(yīng)大于90％。解決了諧振電感的發(fā)熱損耗問(wèn)題，也就解決了效率問(wèn)題。也可采用全橋ZVZCSPWM電路，使超前橋臂實(shí)現(xiàn)ZVS，滯后橋臂實(shí)現(xiàn)ZCS，便可克服全橋ZVS的缺點(diǎn)，效率可達(dá)93％以上。

參考文獻(xiàn)

1 Bill Andreycaf.Phase Shifted Zero Voltage Transition Design Considerations and the UC3875 PWM Controller.Product Applicacation Handbook,1995～ 1996

2張占松,蔡宣山.開(kāi)關(guān)電源原理與設(shè)計(jì)