用于EPS的12 V/48 V軟開關(guān)電源變換器研究

張文鼎，肖強(qiáng)暉，廖無(wú)限

（湖南工業(yè)大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南株洲412007）

用于EPS的12 V/48 V軟開關(guān)電源變換器研究

張文鼎，肖強(qiáng)暉，廖無(wú)限

（湖南工業(yè)大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南株洲412007）

分析了ZVT-BOOST電路的工作原理，設(shè)計(jì)BOOST電路的主要參數(shù)及控制回路，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于TL494的用于EPS的軟開關(guān)電源變換器樣機(jī)，其輸出電壓為48 V，輸出功率為100 W。對(duì)樣機(jī)的測(cè)試結(jié)果表明：本樣機(jī)能穩(wěn)定輸出電壓，整機(jī)效率大于90%，性能滿足設(shè)計(jì)要求。

TL494；EPS；軟開關(guān)；穩(wěn)壓

0 引言

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是汽車的主要子系統(tǒng)之一，其性能直接關(guān)系到汽車的操縱穩(wěn)定性和舒適性，且對(duì)于確保行車安全、減少交通事故以及保護(hù)駕駛員的人身安全、改善駕駛員的工作條件起重要作用。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（electric power steering，EPS）是近些年出現(xiàn)的一種先進(jìn)的汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。其利用電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生動(dòng)力，幫助駕駛員進(jìn)行轉(zhuǎn)向操作。該系統(tǒng)主要由3部分構(gòu)成：信號(hào)傳感裝置、轉(zhuǎn)向助力機(jī)構(gòu)、電子控制裝置。相比較于傳統(tǒng)的液壓式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，EPS在環(huán)保、節(jié)能、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、布置靈活、產(chǎn)品減重等諸多方面擁有較大優(yōu)勢(shì)，因此，被廣泛應(yīng)用于汽車領(lǐng)域[1]。而電源對(duì)于各種電氣設(shè)備就像心臟對(duì)于人體一樣重要，如果沒(méi)有了電源則各種用電設(shè)備將無(wú)法運(yùn)行。隨著電源技術(shù)的發(fā)展，各種新型器件、新電路拓?fù)浼跋冗M(jìn)的控制策略應(yīng)用到電源裝置中，特別是DC/DC高頻開關(guān)電源在各個(gè)領(lǐng)域中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用[2]。

為了使開關(guān)電源達(dá)到高功率密度和易于便攜的要求，通常采用高頻PWM軟開關(guān)控制方式，這樣不僅有利于減小開關(guān)電源的體積，而且還能有效降低開關(guān)器件的損耗和噪音[3]。

綜上所述，本文分析了ZVT-BOOST電路的工作原理，并對(duì)BOOST電路的主要參數(shù)及控制回路進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后采用Saber仿真軟件進(jìn)行建模，并對(duì)升壓電路進(jìn)行仿真分析。仿真結(jié)果表明：ZVS PWM軟開關(guān)變換技術(shù)具有開關(guān)損耗小、恒頻控制和變換效率高等優(yōu)點(diǎn)[4]。最后，研制了一款48 V/100 W的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，并給出了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)波形,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：電源的輸入為12 V，輸出為48 V/100 W，整機(jī)效率大于90%，基本達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)，適用于EPS電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。

1 ZVT零轉(zhuǎn)換電路原理

ZVS PWM BOOST電路如圖1所示。直流電源Uin、輸入濾波電感Lf、主開關(guān)管Q1、二極管D、輸出濾波電容C和負(fù)載R構(gòu)成基本的BOOST電路拓?fù)洹］o助開關(guān)管Q2、二極管D1、諧振電感Lr和諧振電容Cr構(gòu)成有源軟開關(guān)環(huán)節(jié)。開通時(shí)，Cr和Lr構(gòu)成的諧振電路可以減小并延緩主開關(guān)管Q1的開通電流上升率，使Q1和D2具有零電壓開通環(huán)境，可有效減少開關(guān)損耗。關(guān)斷時(shí)，Q1與并聯(lián)的電容Cr可以有效抑制主開關(guān)管關(guān)斷時(shí)的電壓上升率，為Q1和D2營(yíng)造零電壓開通環(huán)境，可有效減少關(guān)斷損耗。二極管D1和D3起到續(xù)流和換流的作用[5-7]。

圖1 ZVS PWM BOOST電路Fig.1 ZVS PWM BOOST circuit

2 電路工作過(guò)程分析

2.1 軟開關(guān)工作條件

所謂軟開關(guān)，就是利用電感電流不能突變這個(gè)特性，用電感來(lái)限制開關(guān)管開通過(guò)程的電流上升速率，實(shí)現(xiàn)零電流開通；利用電容電壓不能突變的特性，用電容來(lái)限制開關(guān)管關(guān)斷過(guò)程的電壓上升速率，實(shí)現(xiàn)零電壓關(guān)斷；利用LC諧振回路的電流與電壓存在相位差的特性，用電感電流給MOS結(jié)電容放電，從而實(shí)現(xiàn)零電壓開通；或是在管子關(guān)斷之前，電流就已經(jīng)過(guò)零，從而實(shí)現(xiàn)零電流關(guān)斷[5]。

2.2 主電路工作過(guò)程

主電路軟開關(guān)BOOST拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)穩(wěn)態(tài)時(shí)原理波形圖如圖2所示。圖中，g是主管驅(qū)動(dòng)電壓波形，vds是主管VDS電壓波形，id是主管漏極電流，ga是輔管驅(qū)動(dòng)電壓，ia是輔管集電極電流，vdsa是輔管VDS電壓波形，iL1是諧振電感電流，ip是主二極管電流。

圖2 主電路軟開關(guān)BOOST拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)穩(wěn)態(tài)時(shí)原理波形圖Fig.2 The principle waveform of BOOST topology of main circuit switching at steady-state

主電路工作原理如下：

T0時(shí)刻之前，主二極管導(dǎo)通，向負(fù)載供電。

T0時(shí)刻，輔管開通。由于電感L1的存在，輔管電流線性上升，主二極管電流線性下降。因此，輔管是零電流開通，此時(shí)，輔管驅(qū)動(dòng)波形的開通過(guò)程存在Miller效應(yīng)。而主二極管的關(guān)斷過(guò)程是相當(dāng)?shù)摹败洝?，反向恢?fù)電流較小。在主二極管電流完全轉(zhuǎn)移到電感L1中以后，主管的VDS電壓開始諧振下降。

T1時(shí)刻，主管VDS電壓降到零，主管旁邊的二極管D3導(dǎo)通，將VDS箝位在零。此時(shí)開通主管就屬于零電壓開通。

T2時(shí)刻，主管開通。從主管Q2波形可以看出，主管是在零電壓零電流的狀態(tài)下開通的。從柵極信號(hào)可以看出，主管Q2沒(méi)有開通過(guò)程的Miller效應(yīng)。主管開通后，輔管可以關(guān)斷。

T3時(shí)刻，輔管關(guān)斷。從輔管Q1波形可以看出，其關(guān)斷過(guò)程中，輔管的VDS電壓在C2的緩沖下緩慢上升，電壓和電流重疊部分較小。本文選擇高速的IGBT（insulated gate bipolar transistor）型號(hào)為MGW12N120，以實(shí)現(xiàn)輔管的零電壓關(guān)斷。諧振電感L1中的能量向C2中轉(zhuǎn)移。當(dāng)C2電壓達(dá)到輸出電壓時(shí)，箝位二極管導(dǎo)通，保證了輔管的VDS電壓不會(huì)超過(guò)輸出電壓[8]。

T4時(shí)刻，當(dāng)諧振電感L1的能量完全轉(zhuǎn)移到C2中以后，箝位二極管MUR460_2關(guān)斷反偏。

T5時(shí)刻，主管關(guān)斷。輸入電流通過(guò)C2,MUR460_2,MUR460_1向負(fù)載R輸出。在C2的緩沖下，主管的VDS電壓線性上升，呈現(xiàn)良好的零電壓關(guān)斷狀態(tài)。

T6時(shí)刻，C2的能量完全釋放完畢，C2兩端電壓差為零。主二極管MUR1560導(dǎo)通，輸入電流通過(guò)主二極管向負(fù)載輸送能量。

3 驅(qū)動(dòng)電路

3.1 控制芯片TL494的簡(jiǎn)介

TL494是一種固定頻率脈寬調(diào)制電路，其主要為開關(guān)電源電路而設(shè)計(jì)[6]。主要特征有：集成了全部的脈寬調(diào)制電路；內(nèi)置主從振蕩器和誤差放大器；內(nèi)置5.0 V參考基準(zhǔn)電壓源；可調(diào)整死區(qū)時(shí)間；內(nèi)置功率晶體管可提供最大500 mA的驅(qū)動(dòng)能力；輸出可控制推拉電路或單端電路；自帶欠壓保護(hù)。

TL494的內(nèi)部框圖如圖3所示。

圖3 TL494結(jié)構(gòu)原理圖Fig.3 The structure diagram of TL494

圖3中，引腳功能如下：

引腳1 為第一組誤差放大器的同相輸入端；

引腳2 為第一組誤差放大器的反相輸入端；

引腳3 為相位校正和增益控制；

引腳4 為死區(qū)控制端，改變此腳電壓，可改變死區(qū)時(shí)間；

引腳5 為內(nèi)部振蕩電路，外接振蕩電容C；

引腳6 為外接振蕩電阻R，和引腳5一起產(chǎn)生鋸齒波電壓送比較器和死區(qū)時(shí)間比較器，振蕩頻率為OSC=1/(RC)；

引腳7 為共地端，也是供電的負(fù)極端；

引腳8和11 為兩路輸出放大管的集電極；

引腳9和10 為內(nèi)部驅(qū)動(dòng)放大管的發(fā)射極；

引腳12 為供電端，其允許輸入電壓可達(dá)8～40 V，因此無(wú)需外部穩(wěn)壓器；

引腳13 為輸出控制端，當(dāng)U13=0時(shí)，用于驅(qū)動(dòng)單端電路，該腳接地時(shí)，為并聯(lián)單端輸出方式，接引腳14時(shí)，為推挽輸出方式；

引腳14 為內(nèi)部5.0 V基準(zhǔn)電壓輸出端，最大輸出電流10 mA；

引腳15和16分別為第二組誤差放大器的反相和同相輸入端。

3.2 驅(qū)動(dòng)電路工作原理

TL494為驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)開關(guān)管，其電路原理如附圖1所示。引腳9和引腳10產(chǎn)生輸入信號(hào)PWM[9-12]，如圖4所示。

圖4 PWM脈沖時(shí)序圖Fig.4 PWM pulse timing diagram

AR5,C5,R21組成一個(gè)有源濾波電路（見(jiàn)附圖1），該電路利用C5充放電的緩沖時(shí)間，將引腳8輸出的方波A（見(jiàn)圖4）變換成一個(gè)具有上升沿和下降沿的波形B。AR1,R10,R9和U3A組成一個(gè)電壓比較器（見(jiàn)附圖1），其中AR1輸出電壓為

Uout1作為U3A反向輸入端。只有當(dāng)U3A的正向輸入端U1高于Uout1時(shí)，U3A才有輸出，即

由式（2）可以看出，經(jīng)過(guò)U3A以后輸出的波形是一個(gè)移相的波形，即波形C。Q10是由2N4351構(gòu)成的或門電路，其作用是將TL494的第一路輸出波形A和經(jīng)過(guò)U3A變換后的波形C作或運(yùn)算。

由式（3）可知，Uout2的輸出波形為U1和U3的公共部分，即波形D，該波形用作主開關(guān)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。Q9是由2N4351構(gòu)成的異或門電路，其作用是將TL494的輸出波形A和波形C（見(jiàn)圖4）做異或運(yùn)算，即

Uout3的輸出波形為波形E，其用作輔助開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。該波形的導(dǎo)通時(shí)間非常短，其導(dǎo)通時(shí)間為

式中C5為附圖1中電容C5的電容量。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)上述ZVT-BOOST的工作原理和參數(shù)設(shè)計(jì)值，本文設(shè)計(jì)了實(shí)際電路，如圖5～6所示。整個(gè)電路的原理圖如附圖1所示。

圖5 PCB板正面Fig.5 The front of PCB

圖6 PCB板反面Fig.6 The back of PCB

軟開關(guān)變換器樣機(jī)的主開關(guān)及輔助開關(guān)管的波形如圖7所示。其中，通道CH1顯示的是輔助開關(guān)管PWM波形，通道CH2顯示的是主開關(guān)管的PWM波形。從波形圖可以看出，主開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，輔助開關(guān)管為低電平；輔助開關(guān)管開通時(shí)，主開關(guān)管為低電平，這說(shuō)明了本課題組設(shè)計(jì)的樣機(jī)起到了軟開關(guān)的作用。

圖7 軟開關(guān)變換器樣機(jī)的主開關(guān)及輔助開關(guān)管輸入波形Fig.7 The input waveform of main switch and auxiliary switch of soft-switching converter prototype

該變換器樣機(jī)的輸出電壓波形如圖8所示，即通道GH1的波形。示波器探頭用X10檔位，示波器設(shè)置為DIV 1 V模式。由圖可知，樣機(jī)的輸出電壓為48 V左右，基本達(dá)到預(yù)期效果。

圖8 電路輸出電壓波形Fig.8 Circuit output voltage waveform

對(duì)樣機(jī)進(jìn)行實(shí)測(cè)的結(jié)果表明，該變換器符合軟開關(guān)要求，能穩(wěn)定輸出電壓，達(dá)到了預(yù)期效果。

5 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)12 V/48 V軟開關(guān)變換器。該變換器是利用邏輯電路將同一PWM波形做運(yùn)算變換，輸出的主PWM和輔助PWM波形用于驅(qū)動(dòng)主開關(guān)和輔助開關(guān)；通過(guò)MOSFET輔助開關(guān)管實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，提高電源工作效率，同時(shí)能夠保證其輸出直流電壓的穩(wěn)定性。對(duì)12 V/48 V軟開關(guān)變換器的測(cè)試結(jié)果表明，該變換器能應(yīng)用于EPS電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。

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（責(zé)任編輯：鄧彬）

Research of 12 V/48 V Soft Switching Power Converter for EPS

Zhang Wending，Xiao Qianghui，Liao Wuxian
（School of Electrical and Information Engineering，Hunan University of Technology，Zhuzhou Hunan 412007，China）

Analyzed the working principle of ZVT-BOOST circuit,designed main parameters and the control loop of BOOST circuit,and devised a TL494-based soft switching power converter prototype for EPS,whose output voltage was 48 V and output power was 100 W. The test result shows that the prototype outputs voltage stably,the performance meets he design requirements,and the efficiency is beyond 90%.

TL494；electric power steering (EPS) ；soft-switching；voltage stabilizing

附圖1 電路原理圖Fig. 1 The principle diagram of the circuit

TN86

A

1673-9833(2015)01-0070-06

2014-12-02

湖南省科技廳科研基金資助項(xiàng)目（12FJ4266），湖南省教育廳科研基金資助項(xiàng)目（13C023）

張文鼎（1990-），男，湖南湘鄉(xiāng)人，湖南工業(yè)大學(xué)碩士生，主要研究方向?yàn)檐涢_關(guān)，DC/DC以及PWM控制，E-mail：465964605@qq.com

10.3969/j.issn.1673-9833.2015.01.013