吳鴻霞 劉衛(wèi)東

(1黃石理工學(xué)院電氣與電子信息工程學(xué)院，湖北黃石435003;2湖北城市職業(yè)學(xué)校，湖北黃石435004)

全橋變換電路拓?fù)涫请娫醇夹g(shù)中最常用的電路拓?fù)渲?。移相全橋ZVS PWM DC/DC變換器，在控制中使其超前橋臂和滯后橋臂的開關(guān)管均在零電壓軟開關(guān)條件下開通和關(guān)斷，克服了硬開關(guān)條件下運(yùn)行的缺點(diǎn)，開關(guān)損耗小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，提高了整機(jī)效率，因此在中大功率DC/DC變換場(chǎng)合得到了廣泛研究和應(yīng)用[1-2]。但是在使用過程中存在變換器滯后橋臂零電壓開關(guān)范圍窄、占空比丟失嚴(yán)重、轉(zhuǎn)換效率不高以及整流橋二極管反向恢復(fù)產(chǎn)生的寄生振蕩等問題[3-5]。為了解決這些問題，在研究了基本的移相全橋DC/DC變換器缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，本文提出了一種改進(jìn)型的原邊帶鉗位二極管的移相全橋ZVS DC/DC變換器，給出了主電路結(jié)構(gòu)，闡述了變換器的工作原理和參數(shù)設(shè)定原則，提出了電壓閉環(huán)控制方案，設(shè)計(jì)了一套基于UC3875移相芯片的電壓型單環(huán)控制系統(tǒng)，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果，結(jié)果表明，本電路有效解決了占空比丟失等問題。

1 變換器主電路拓?fù)浼肮ぷ髟?/h2>

原邊帶鉗位二極管的移相全橋ZVS DC/DC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電路如圖1所示。D1～D4分別是與VT1～VT4一起的封裝二極管，C1～C4分別是VT1～VT4的寄生電容，C1=C3=C2=C4=C，都是理想器件。Lr是諧振電感，Cb是隔直電容。超前橋臂為VT1和VT3，滯后橋臂為VT2和VT4，超前橋臂和滯后橋臂的2個(gè)開關(guān)管互補(bǔ)導(dǎo)通，超前橋臂和滯后橋臂導(dǎo)通角相差一個(gè)移相角，控制思想是通過調(diào)節(jié)移相角的大小來調(diào)節(jié)輸出電壓。下面的分析中設(shè)各器件均為理想器件，且Lf?Lr/n2(n為變壓器原副邊匝比)，設(shè)開關(guān)周期為Ts，開關(guān)管的開通時(shí)間為Ton。電感Lf一個(gè)周期內(nèi)的最大電流為Ilmax，最小電流為Ilmin，初級(jí)繞組流過的電流用ip表示，Lr流過的電流用ir表示，Lf流過的電流用il表示，改進(jìn)型帶鉗位二極管的移相全橋ZVS DC/DC變換器電路的工作波形如圖2所示，該變換器在一個(gè)開關(guān)周期共有18種開關(guān)模式，后9種類似前9種，在此分析前9種[6]。

圖1 DC/DC變換器電路原理圖

在t0時(shí)刻之前，VT1和 VT4導(dǎo)通，輸出整流管Dr1導(dǎo)通，Dr2截止，CDr2中充滿電荷。

開關(guān)模態(tài)1:[t0，t1]時(shí)刻:t0時(shí)刻 VT1關(guān)斷，ip給C1充電，同時(shí)C3放電。A點(diǎn)電壓線性下降，因C1存在，VT1實(shí)現(xiàn)軟關(guān)斷。此時(shí)變換器諧振工作，參與諧振的是超前橋臂電容、諧振電感及整流二極管結(jié)電容。當(dāng)A點(diǎn)電位降為0時(shí)，該過程結(jié)束，其持續(xù)時(shí)間為:

其中:I0=nIlmax;I1為t1時(shí)刻折算至原邊的電流值。

開關(guān)模態(tài)2:[t1，t2]時(shí)刻:t1時(shí)刻A點(diǎn)電位降為0，D3自然導(dǎo)通，此時(shí)VT1即為零電壓開通。此后ip繼續(xù)下降，直至CDr2放電完畢，Dr2導(dǎo)通，該過程完成，進(jìn)入模態(tài)3[t2，t3]時(shí)刻:在t2時(shí)刻，CDr2放電結(jié)束，Dr2導(dǎo)通，2個(gè)整流二極管全通，副邊短接，此時(shí)變壓器原邊B點(diǎn)電壓下降到0。ip通過 VT4、D3續(xù)流，到t3時(shí)刻，當(dāng) VT4零電壓關(guān)斷時(shí)，該過程結(jié)束，進(jìn)入模態(tài)4[t3，t4]:在t3時(shí)刻VT4零電壓關(guān)斷，副邊2個(gè)整流二極管同時(shí)導(dǎo)通，Lr和C2、C4諧振工作，給C4充電，同時(shí)C2放電，ip線性下降，當(dāng)B點(diǎn)電位為Uin，C2的電壓下降到0時(shí)D2導(dǎo)通，該模態(tài)結(jié)束，進(jìn)入模態(tài) 5[t4，t5]:ip繼續(xù)線性下降，ip為:

當(dāng)ip到0時(shí)該過程結(jié)束，進(jìn)入模態(tài)6[t5，t6]:從t5時(shí)刻開始ip過0繼續(xù)反向增大，VT3和VT2為ip提供通路，當(dāng)ip足以提供負(fù)載電流時(shí)，Dr1關(guān)斷，進(jìn)入模態(tài) 7[t6，t7]:t6時(shí)刻后，ip繼續(xù)反向增加，CDr1反向充電到其上的電壓為2Uin/n時(shí)，進(jìn)入模態(tài) 8[t7，t8]:在t7時(shí)刻，UBC上升到Uin，C點(diǎn)電位變?yōu)?，D6導(dǎo)通，將UBC鉗在Uin，從而消除了整流橋的尖峰電壓和二極管反向恢復(fù)造成的損耗。到t8時(shí)刻，iD6線性下降為0，D6自然關(guān)斷，該模態(tài)結(jié)束，進(jìn)入模態(tài) 9[t8，t9]:t8時(shí)刻后ip繼續(xù)反向增加，在t9時(shí)刻VT3關(guān)斷，該過程結(jié)束。t9時(shí)刻后的t9～t18與t0～t9的工作情況相同，只是變壓器磁化的方向相反。

圖2 變換器主要工作波形

2 系統(tǒng)的控制策略及實(shí)現(xiàn)

變換器控制電路的主要作用是控制兩橋臂間的移相角和提供一些基本的保護(hù)電路。本系統(tǒng)的控制電路主要由信號(hào)檢測(cè)部分、控制信號(hào)的產(chǎn)生部分、功率驅(qū)動(dòng)部分、隔離輸出部分和系統(tǒng)保護(hù)部分電路組成。本變換器控制系統(tǒng)采用電壓控制模式，控制電路控制超前橋臂和滯后橋臂間的移相角，從而控制輸出電壓值;另外提供一些基本的保護(hù)電路，如:短路保護(hù)、過壓保護(hù)、限流保護(hù)等電路，以確保變換器的安全可靠工作。本變換器控制電路是基于美國(guó)TI公司的一款專業(yè)移相控制 IC芯片UC3875設(shè)計(jì)的。UC3875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)諧振變換器。

2.1 UC3875芯片及外圍電路設(shè)計(jì)

UC3875芯片主要由以下幾個(gè)部分組成:基準(zhǔn)電源、工作電源、振蕩器、鋸齒波發(fā)生器、移相控制信號(hào)發(fā)生電路、誤差放大器和軟啟動(dòng)、死區(qū)時(shí)間設(shè)置、過流保護(hù)、輸出級(jí)。它能運(yùn)行于電壓模式，芯片內(nèi)部集成了一個(gè)帶寬為7 MHz的誤差運(yùn)算放大器。引腳16是頻率設(shè)置端，芯片內(nèi)有一個(gè)高速振蕩器，在頻率設(shè)置腳FREQ SET(16)與信號(hào)地GND(20)之間接一個(gè)電容C10和一個(gè)電阻R8來設(shè)置振蕩頻率，從而可設(shè)置輸出級(jí)的開關(guān)頻率，它的內(nèi)部振蕩頻率可達(dá)2 MHz，實(shí)際應(yīng)用中可提供開關(guān)頻率為1 MHz的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，具有快速過流保護(hù)、欠壓保護(hù)和軟啟動(dòng)等功能;引腳SLOPE(18)為斜率設(shè)置腳;引腳RAMP(19)為斜坡控制端，提供一個(gè)恒流，在RAMP與信號(hào)地GND之間接一個(gè)電容C6，就決定了鋸齒波的斜率。移相控制信號(hào)發(fā)生電路是UC3875的核心部分。振蕩器輸出2個(gè)180°互補(bǔ)的方波信號(hào)，這2個(gè)方波信號(hào)從OUTA和OUTB輸出，延時(shí)電路為這2個(gè)方波信號(hào)設(shè)置死區(qū)。在死區(qū)設(shè)置腳與信號(hào)地GND之間并聯(lián)一個(gè)電阻和電容，就可以分別為2對(duì)互補(bǔ)輸出信號(hào)設(shè)置死區(qū)時(shí)間。根據(jù)前面的分析，用UC3875搭建的外圍控制電路如圖3所示，R8和 C10設(shè)置開關(guān)頻率，R7和C9設(shè)置OUTA和OUTB的死區(qū)時(shí)間，R6和C8設(shè)置OUTC和 OUTD的死區(qū)時(shí)間，R3和 C6設(shè)置鋸齒波的斜率和幅值，C7設(shè)置軟啟動(dòng)時(shí)間[7]。頻率設(shè)置的計(jì)算式為:

本變換器的開關(guān)頻率設(shè)置為30 kHz，則振蕩器的頻率為60 kHz，可分別選擇C10為2 nF，R8為34 kΩ。死區(qū)時(shí)間設(shè)置為1 μs，由 UC3875特性 選 取C8、C9為 2 nF，R6、R7為 80 kΩ。UC3875的8、9、13、14引腳輸出 PWM 脈沖，由于需要外加驅(qū)動(dòng)電路才能驅(qū)動(dòng)功率開關(guān)管，本變換器的具體驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示。

圖3 UC3875的外圍電路

圖4 功率驅(qū)動(dòng)電路

2.2 系統(tǒng)穩(wěn)定性分析

本變換器是以輸出電壓作為反饋的單電壓環(huán)PWM控制方式，電壓閉環(huán)系統(tǒng)方框圖如圖5所示，電壓調(diào)節(jié)器采用PI調(diào)節(jié)器，參數(shù)簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)整定容易。PI調(diào)節(jié)器電路如圖6所示，誤差放大器由UC3875內(nèi)部提供。對(duì)電壓環(huán)進(jìn)行優(yōu)先設(shè)計(jì)后得調(diào)節(jié)器主要參數(shù)為:

圖5 電壓閉環(huán)系統(tǒng)方框圖

圖6 電壓調(diào)節(jié)器原理圖

系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)的波特圖如圖7所示，由圖7可見系統(tǒng)相位裕度約為50°，系統(tǒng)有較好的穩(wěn)定性能。

圖7 傳遞函數(shù)波特圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在進(jìn)行系統(tǒng)仿真的基礎(chǔ)上搭建了實(shí)驗(yàn)電路，電路參數(shù)為:輸入電壓Uin=500 V，輸出電壓Uo=20 V;3 kW的DC/DC變換器，主要元件參數(shù):控制電路采用UC3875，主功率器件選用三菱公司的CM200DY-24H模塊，其內(nèi)部分別由2個(gè)IGBT和2個(gè)二極管集成而成，變壓器原副邊匝比30∶20，超前橋臂并聯(lián)電容為4 nF;輸出濾波電感:4 mH，滯后橋臂并聯(lián)電容為6.7 nF;輸出濾波電容為 2 個(gè)2 200 μF電容并聯(lián)，開關(guān)頻率為30 kHz，整流二極管可選用IXYS公司生產(chǎn)的DSEI2×101-12A型快恢復(fù)二極管。UC3875輸出的開關(guān)管 VT1(通道1)、VT3(通道2)的驅(qū)動(dòng)波形如圖8所示。由圖8可以看出超前橋臂的2個(gè)開關(guān)管驅(qū)動(dòng)為互補(bǔ)關(guān)系，而且在2個(gè)驅(qū)動(dòng)間還有1 μs的死區(qū);UC3875輸出的開關(guān)管VT1(通道1)、VT4(通道2)的驅(qū)動(dòng)波形如圖9所示，可以看出通道1滯后通道2約30°，實(shí)現(xiàn)了移相功能;圖10是10%負(fù)載情況下超前橋臂電壓開關(guān)實(shí)驗(yàn)波形，圖10中的通道1代表了超前橋臂IGBT開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形，通道2代表超前橋臂IGBT開關(guān)管的管壓降波形;圖11是10%負(fù)載情況下，滯后橋臂ZVS實(shí)驗(yàn)波形，圖11中的通道1為滯后橋臂IGBT管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形，通道2為滯后橋臂IGBT管的管壓降波形。

圖 8 VT1、VT3驅(qū)動(dòng)波形

圖 9 VT1、VT4驅(qū)動(dòng)波形

圖10 超前橋臂ZVS實(shí)驗(yàn)波形

圖11 滯后橋臂ZVS實(shí)驗(yàn)波形

4 結(jié)論

基于UC3875的新型ZVS PWM DC/DC變換器在輕載條件下超前橋臂和滯后橋臂均實(shí)現(xiàn)了ZVS，本文具體分析了它的工作原理，給出了基于UC3875的變換器的實(shí)現(xiàn)方案，變換器采用移相控制，實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明理論分析的正確性和具體方案的可行性。基于UC3875的移相全橋ZVS DC/DC變換器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，易于實(shí)現(xiàn)，調(diào)試方便，功能完善，動(dòng)、靜態(tài)性能好，變換器效率高，有很好的應(yīng)用前景。

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