基于飽和電抗器的ZCZVS移相全橋DC-DC變換器

馬驁,黃鉑,王朋

（1.武漢科技大學(xué) 城市學(xué)院,湖北 武漢 430083；2.武漢大學(xué) 湖北 武漢 430072）

直流電源在許多場(chǎng)合都發(fā)揮著重要作用，作為直流電源的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，DC/DC變換器的性能很大程度上決定了直流電源的成本和可靠性。DC/DC變換器有多種結(jié)構(gòu)，根據(jù)電源的功率需求，選擇合適的變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)?；綝C/DC變換器（如：Buck、Boost、Buck/Boost、Forward 等變換器）只應(yīng)用在小功率場(chǎng)合，而在中大功率場(chǎng)合，一般采用半橋或全橋變換器。

全橋變換器是一種先經(jīng)DC/AC高頻逆變，再經(jīng)AC/DC不控整流的兩級(jí)DC/DC變換器。高頻變壓器把直流負(fù)載與交流電網(wǎng)隔離，高頻變壓器輸出側(cè)直流LC濾波器重量和體積不大，輸出直流電壓紋波小，動(dòng)態(tài)特性好，全橋變換器已成為較大功率DC/DC變換器的最佳技術(shù)方案之一[1]。

經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，在中大功率應(yīng)用中，移相全橋軟開(kāi)關(guān)DC/DC變換器逐漸成熟，已成為DC/DC變換器的主流，與其他DC/DC變換器相比，移相全橋軟開(kāi)關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)充分利用了電路本身的寄生參數(shù)，通過(guò)控制PWM脈沖的相位使開(kāi)關(guān)管工作在軟開(kāi)關(guān)狀態(tài)，降低了開(kāi)關(guān)損耗，提高了變換器的效率。

1 基于飽和電抗器的ZCZVS移相全橋主電路分析

按軟開(kāi)關(guān)的實(shí)現(xiàn)方式，移相全橋PWM變換器大致可分為零電壓開(kāi)關(guān)（ZVS）、零電流開(kāi)關(guān)（ZCS）和零電壓零電流開(kāi)關(guān)（ZVZCS）3種。其中，ZVZCS方式變換器由超前橋臂實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)關(guān)，滯后橋臂實(shí)現(xiàn)零電流開(kāi)關(guān)，與其他兩種軟開(kāi)關(guān)技術(shù)相比，移相全橋ZVZCSDC/DC變換器能實(shí)現(xiàn)更寬范圍的軟開(kāi)關(guān)，是一種性能優(yōu)良的全橋DC/DC變換器，在中大功率DC/DC變換場(chǎng)合被廣泛應(yīng)用[2-3]。

移相全橋零電壓零電流 （ZVZCS）變換器，超前臂實(shí)現(xiàn)ZVS，滯后橋臂實(shí)現(xiàn)ZCS（故其兩端不能并聯(lián)電容），需要加入相應(yīng)的輔助電路來(lái)實(shí)現(xiàn)滯后橋臂的零電流開(kāi)關(guān)。圖1為飽和電抗器式ZCZVS主電路，其中Q1，Q3增加了反向阻斷電容，以實(shí)現(xiàn)滯后臂的ZCS[4]。

移相全橋電路ZCZVS的開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)和電壓電流波形如圖2所示

t0時(shí)刻，Q1關(guān)斷后ip續(xù)流，C3兩端的電壓降為零，D3導(dǎo)通，此時(shí)可實(shí)現(xiàn)Q3零電壓開(kāi)通。Q1關(guān)斷后到Q4關(guān)斷前的[t0～t3]階段，變換器工作在“0 狀態(tài)”，此時(shí)， ZVZCS 方式的“0狀態(tài)”為電流復(fù)位模式，原邊電流將會(huì)減小到零，以實(shí)現(xiàn)滯后橋臂的ZCS。如果在Q1關(guān)斷、D3導(dǎo)通時(shí)，不及時(shí)開(kāi)通Q3，待原邊電流減小到零后，D3截止，C3將被重新充電，Q3就無(wú)法實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)通。

圖1 飽和電抗器式ZCZVS移相全橋主電路拓?fù)銯ig.1 Topology of saturable ZCZVS phase-shifted full bridge circuit

圖2 開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)和電壓電流波形Fig.2 Driving signal of switching diode and its voltage¤t

由于原邊電流減小到零的時(shí)間與負(fù)載有關(guān)，在較寬負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)Q3的零電壓開(kāi)通，必須將Q3的開(kāi)通時(shí)間提前到Q1關(guān)斷時(shí)（即Q3導(dǎo)通時(shí)間增加到半個(gè)周期）。同理，Q1的開(kāi)通時(shí)間也要提前，此時(shí)Q1和Q3的導(dǎo)通時(shí)間都是180°。另外，Q1和Q3的驅(qū)動(dòng)信號(hào)之間仍須有一個(gè)死區(qū)時(shí)間，使Q1(或Q3)在開(kāi)通之前，其并聯(lián)電容C1（或C3）電壓歸零，反并二極管 D1（或 D3）導(dǎo)通。

由于滯后橋臂要實(shí)現(xiàn)ZCS，因此開(kāi)關(guān)管兩端不能并聯(lián)電容。當(dāng)超前橋臂的Q1關(guān)斷后，變換器工作在“0狀態(tài)”，此時(shí)原邊電流ip開(kāi)始減小，到t1時(shí)刻時(shí)， ip減小到零，此時(shí)可實(shí)現(xiàn)Q4零電流關(guān)斷，因此Q4的關(guān)斷時(shí)刻必須推遲到t1時(shí)刻之后。ip減小到零的時(shí)間與負(fù)載和電流復(fù)位有關(guān)。在[t1～t3]階段，ip繼續(xù)保持為零，因此Q4的關(guān)斷時(shí)刻也可以推遲到t3時(shí)刻之后（即將Q4導(dǎo)通時(shí)間增加到半個(gè)周期），同理Q2的關(guān)斷時(shí)刻也可以推遲到t3時(shí)刻之后，因此Q2和Q4的導(dǎo)通時(shí)間可以是180°。換言之，滯后橋臂的開(kāi)通時(shí)間向后推遲，增加一段時(shí)間（該時(shí)間由電流復(fù)位時(shí)間決定），甚至增加到半個(gè)周期。

PWM DC/DC變換器的ZVZCS方式下，存在一個(gè) “0狀態(tài)”，此時(shí)原邊電流減小到零，是超前臂零電壓和滯后臂零電流開(kāi)關(guān)的前提。基于以上實(shí)現(xiàn)原邊電流復(fù)位和反向電流阻斷的方法，由于飽和電抗器方案結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，使用的開(kāi)關(guān)元件較少，既節(jié)約了成本又避免增加了額外的器件損耗，因此，本文采用基于飽和電抗器的ZCZVS移相全橋DC-DC變換器。

當(dāng)電流大時(shí)，電抗器飽和，電感很??；當(dāng)電流小時(shí)，電感脫離飽和，電感很大，阻止電流變化。利用飽和電感的這種特性，能改善PWM DC/DC變換器的性能。如圖所示，首先，Q1和Q4導(dǎo)通，飽和電感Lsat處于飽和狀態(tài)，隔直電容Cb電壓從-Vmax線性增加，能量傳遞給負(fù)載RL，此時(shí)若超前橋臂中Q1關(guān)斷，變壓器原邊電流ip轉(zhuǎn)移到并聯(lián)電容C1和C3中（即電容C1充電，C3放電）。由于電容C1電壓不能突變，因此Q1是零電壓關(guān)斷。當(dāng)電容C1足夠大，Q1的關(guān)斷損耗將大大減小。

2 ZCZVS移相全橋電路控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介

該變換器的控制電路主要包括由主控集成電路UC3875及其外圍電路組成的主控電路、逆變部分開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)電路、過(guò)流過(guò)壓保護(hù)電路及開(kāi)關(guān)機(jī)和顯示部分。

UC3875及其外圍電路的連接圖如圖3所示。Vin(11角)和Vc(10角)接12 V工作電源，其中Vin給內(nèi)部邏輯電路供電，它對(duì)應(yīng)于信號(hào)地GND(20角)，Vc給輸出級(jí)供電，它對(duì)應(yīng)于信號(hào)地PWR GND(12角)。這兩個(gè)工作電源均應(yīng)該外接相應(yīng)的高頻濾波電容，而且GND和PWR GND兩個(gè)地應(yīng)相聯(lián)于一點(diǎn)以減少噪聲干擾和減小直流壓降。Vin設(shè)有欠壓鎖定輸出的功能（Under-voltage Lock-out，簡(jiǎn)稱 UVLO）,當(dāng) Vin 得電壓低于UVLO門檻電壓（10.75 V）時(shí)，輸出級(jí)信號(hào)全部為低電平，高于門檻電壓時(shí)輸出級(jí)才會(huì)開(kāi)啟。

在頻率設(shè)置腳FREQ SET(16角)與GND之間接一個(gè)電容C7和一個(gè)電阻R19可以設(shè)置振蕩頻率，從而設(shè)置輸出級(jí)的開(kāi)關(guān)頻率。此電路的開(kāi)關(guān)頻率。

圖3中芯片內(nèi)部集成了一個(gè)帶寬為7 MHz的誤差運(yùn)算放大器，按照?qǐng)D中的電路連接方法為一PI調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器的輸出級(jí)RAMP角的鋸齒波加上一個(gè)1.3 V的偏置電壓的和相比較，產(chǎn)生移相角的變化。芯片E/A-角連接著主電路輸出電壓的分壓值 （通過(guò)一電阻網(wǎng)絡(luò)分壓，輸入到E/A-），E/A+由VREF基準(zhǔn)電壓角給定，為5 V。設(shè)計(jì)輸出電壓為24 V，所以可以得到電阻網(wǎng)絡(luò)分壓為4.8：1。

由上述電路構(gòu)成了控制系統(tǒng)的核心，配合外圍的驅(qū)動(dòng)電路，保護(hù)電路，共同構(gòu)成了移相全橋電路的控制系統(tǒng)。

3 ZCZVS移相全橋電路參數(shù)設(shè)計(jì)

擬定的主要參數(shù)額定最大輸出功率為50V/20A，本節(jié)描述了50V/20A移相全橋ZVZCSDC/DC變換器穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)參數(shù)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。

參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)，按手冊(cè)參數(shù)計(jì)算可得高頻變壓器[5]原邊匝數(shù)為32，副邊匝數(shù)為6；輸出濾波電感值取Lf=16μH。其他器件的參數(shù)經(jīng)計(jì)算初步確定如下：輸入電壓Vin=315VDC；輸出電壓Vo=50VDC；并聯(lián)電容 C2=C4=2.2 nF；輸出濾波電容Cf=4 700 μF;開(kāi)關(guān)頻率 fs=50 kHz。

圖3 UC3875及其外圍電路組成的控制電路Fig.3 Control system based on UC3875 and accessory circuit

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

按上述參數(shù)設(shè)計(jì)了移相全橋ZVZCSDC/DC變換器[6]和專用移相控制芯片UC3875構(gòu)成PID電壓反饋控制環(huán)兩部分組成的50V/20A穩(wěn)壓電源[7]。樣機(jī)的主電路原理如圖4所示。

圖4 樣機(jī)主電路原理圖Fig.4 diagram of DC-DC converter

圖5 樣機(jī)實(shí)驗(yàn)波形Fig.5 The prototype experimentwaveform

在樣機(jī)的制作過(guò)程中部分參數(shù)不標(biāo)準(zhǔn)，可能引起一些偏差，再經(jīng)實(shí)驗(yàn)修改驗(yàn)證。其他方面功能比較簡(jiǎn)單，如過(guò)壓過(guò)流保護(hù)，但基本達(dá)到穩(wěn)壓電源的性能和研究要求。通過(guò)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了較大功率的全負(fù)載范圍輸出可調(diào)。但由于樣機(jī)中采用模擬PID反饋控制，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間（90%～10%負(fù)載）約120～170ms，難以滿足高動(dòng)態(tài)特性的要求。下面對(duì)比實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的波形分析ZVZCS的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和特性。

圖5(a)所示為滿載時(shí)超前臂的零電壓開(kāi)關(guān)的波形。圖5(a)中左半部分超前臂在開(kāi)通前，開(kāi)關(guān)管的電壓降減小為零，實(shí)現(xiàn)了ZVS開(kāi)通，電壓電流的重疊區(qū)很小，開(kāi)關(guān)損耗很?。粓D5(a)右半部分中超前臂在關(guān)斷前，開(kāi)關(guān)管電壓為零，開(kāi)通后，開(kāi)關(guān)管的電壓才開(kāi)始上升，實(shí)現(xiàn)了關(guān)斷，電壓電流的重疊區(qū)很小，開(kāi)關(guān)損耗很小。

從圖5(b)可看出，開(kāi)關(guān)管開(kāi)通時(shí)原邊電流在漏感的作用下線性上升，實(shí)現(xiàn)了開(kāi)關(guān)管的零電流開(kāi)通；在開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)原邊電流已經(jīng)降到零，實(shí)現(xiàn)了開(kāi)關(guān)管的零電流關(guān)斷。因此，滯后橋臂能在大負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)零電流開(kāi)關(guān)。

5 結(jié)論

文中詳細(xì)分析了利用輸出飽和電感實(shí)現(xiàn)的移相全橋ZVZCSPWM DC/DC變換器的工作原理，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有輔助電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單[8]、這種電路拓?fù)渚哂熊涢_(kāi)關(guān)范圍寬、占空比損失小、減小了主回路中的通態(tài)損耗等優(yōu)點(diǎn)，非常適合于中大功率直流變換的應(yīng)用場(chǎng)合，同時(shí)介紹了其控制系統(tǒng)及控制芯片UCC3875。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了移相全橋ZVZCSDC/DC變換器的主電路及相關(guān)參數(shù)的設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)表明，該方案能較好的實(shí)現(xiàn)零電壓零電流開(kāi)關(guān)（ZCZVS）控制，電路的EMI和元件損耗也有了明顯的降低。

[1]王志強(qiáng).開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)[M].2版.北京:電子工業(yè)出版社,2005.

[2]王朋.基于移相全橋變換器的可調(diào)直流電源的研究[M].武漢：武漢科技大學(xué),2008.

[3]阮新波,嚴(yán)仰光.直流開(kāi)關(guān)電源的軟開(kāi)關(guān)技術(shù)[M].北京:科學(xué)出版社,2000.

[4]陳堅(jiān).電力電子學(xué)——電力電子變換和控制技術(shù)[M].北京:高等教育出版社,2002.

[5]電子變壓器專業(yè)委員會(huì).電子變壓器手冊(cè)[M].遼寧:遼寧科學(xué)技術(shù)出版社,1998.

[6]周全明.基本DC/DC變換器的組合拓?fù)浼翱刂品椒ㄑ芯縖D].重慶:重慶大學(xué),2008.

[7]趙文武.移相全橋DC/DC變換器的應(yīng)用研究[J].電子設(shè)計(jì)工程,2013(14):118-120.ZHAO Wen-wu.Application study on phase-shifted full bridge DC/DC converter[J].Electronic Design Engineering,2013(14):118-120.

[8]沈盼.移相全橋ZVZCS式船用充電電源的研究[M].武漢：湖北工業(yè)大學(xué),2010.