基于UCC28950的ZVS全橋移相變換器設(shè)計(jì)

王家校

（杭州士蘭微電子股份有限公司，杭州 310000）

基于UCC28950的ZVS全橋移相變換器設(shè)計(jì)

王家校

（杭州士蘭微電子股份有限公司，杭州 310000）

采用 UCC28950設(shè)計(jì)了全橋移相變換器變換器，實(shí)現(xiàn)了超前橋臂、滯后臂的零電壓開關(guān)（ZVS），具有結(jié)構(gòu)簡單、占空比丟失較小、軟開關(guān)較容易實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)。首先全面分析了次變換器的工作原理、討論實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)的條件，設(shè)計(jì)了主要參數(shù)，然后利用 PSIM 仿真軟件對(duì)電路進(jìn)行仿真，最后通過實(shí)際設(shè)計(jì)的5kW大功率AC/DC開關(guān)電源變換器，驗(yàn)證了參數(shù)設(shè)計(jì)合理。

全橋移相；零電壓開關(guān)；仿真；變換器

人們?cè)谑褂么蠊β书_關(guān)電源等AC-DC、DC-DC等變換器的同時(shí)對(duì)其性能提出了更高的要求，如效率、電磁干擾、功率密度和可靠性等，提高開關(guān)頻率是改善這些性能最直接、最有效的手段，而開關(guān)頻率的提高會(huì)帶來功率管開關(guān)損耗大幅增加，這些將以熱的形式表現(xiàn)出來［1］，為了尋求解決工作頻率高時(shí)開關(guān)損耗大的問題，目前國內(nèi)外普遍采用軟開關(guān)技術(shù)，而移相全橋作為軟開關(guān)技術(shù)中的一種，在眾多拓?fù)渲忻摲f而出，它既適用于中大功率的場合，也避免開關(guān)損耗急劇增加［2］。因此越來越多的被國內(nèi)外的專家、學(xué)者所提倡，也越來越多的被工廠、企業(yè)應(yīng)用到新產(chǎn)品的研發(fā)和生產(chǎn)中，已成為一個(gè)亮點(diǎn)。

本文將采用TI公司生產(chǎn)的UCC28950作為移相全橋變換器控制器，采用其超前橋臂、滯后橋臂同時(shí)實(shí)現(xiàn)ZVS，其拓?fù)渚哂薪Y(jié)構(gòu)簡單、占空比丟失較小、較容易實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)等特點(diǎn)［3］。重點(diǎn)分析了 ZVS移相全橋變換器的工作原理、詳細(xì)討論了軟開關(guān)實(shí)現(xiàn)的條件，主要參數(shù)，并用仿真工具 PSIM對(duì)其進(jìn)行了仿真，最后通過樣機(jī)驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性。

1 原理與設(shè)計(jì)

1.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及主要波形［4-5］

圖1 ZVS變換器拓?fù)鋱D

移相全橋ZVS變換器拓?fù)鋱D如圖1所示，其中主回路的超前橋臂由Q1和Q3構(gòu)成，滯后橋臂由Q2和 Q4構(gòu)成，D1—D4分別為 Q1—Q4的續(xù)流二極管，C1—C4分別是 Q1—Q4的寄生電容或外接電容，Lr是諧振電感，包括變壓器的漏感，每對(duì)橋臂的兩個(gè)開關(guān)管 180°互補(bǔ)導(dǎo)通，其相應(yīng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)之間相差一個(gè)相位，即移相角其中δ 越大輸出電壓越低，反之越小輸出電壓越高［6］。所以可以通過調(diào)節(jié)移相角的大小來調(diào)節(jié)輸出電壓。

1.2 原理分析及計(jì)算［7］

在分析之前先對(duì)全橋移相進(jìn)行如下假設(shè)［8］:

1）所有的開關(guān)管及二極管均為理想器件。

2）所有電感、電容和變壓器均為理想器件。

3）輸出濾波電感足夠大，可看作恒流源。

4）C1=C3=Clead，C2=C4=Clag。

5）Lf>>Lr/K2，K為變壓器原副邊匝比。

從圖2主要波形圖可以看出電路在一個(gè)開關(guān)周期中共有12種工作狀態(tài)。分別作詳細(xì)說明。

圖2 主要波形

1）工作狀態(tài)0，t0時(shí)刻前Q1和Q4導(dǎo)通，原邊電流Ip經(jīng)Q1，Kr，T1原邊，Q4回到電源負(fù)端。

2）工作狀態(tài)1［t0，t1］，t0時(shí)刻關(guān)斷Q1，Ip從Q1轉(zhuǎn)移到C3和C1，給C1充電，同時(shí)C3放電。因此有

3）工作狀態(tài)2［t1，t2］，D3導(dǎo)通后，Q3開通但無電流，ip流經(jīng)D3，所以Q3為零電壓開通。此時(shí)Q3、 Q1的驅(qū)動(dòng)信號(hào)死區(qū)td（lead）＞t01，即折算到原邊電感的電流為

4）工作狀態(tài)3［t2，t3］，t2時(shí)刻Q4關(guān)斷，ip經(jīng)C2、C4兩條路徑，即ip給C2放電，給C4充電，因此Q4為零電壓關(guān)斷。此時(shí) Vab=-Vc4，并直接加在了諧振電感Lr上，因此Lr，C2和C4是工作在諧振下的。所以:

在工作狀態(tài)3的持續(xù)時(shí)間為

5）工作狀態(tài)4［t3，t4］，t3時(shí)刻，D2導(dǎo)通，Q2電壓零電壓開通，此時(shí) Q2、Q4的驅(qū)動(dòng)信號(hào)死區(qū) td（lag）＞t23，即此時(shí)電壓Vin全部落在Lr兩端，ip線性下降，大小為

折算到原邊電感的電流為

6）工作狀態(tài) 5［t4，t5］，t4時(shí)刻 ip雖正直過零，但變壓器原邊繞組電壓仍處于零，此時(shí)諧振電感兩端電壓為Vin，ip反向增加，大小

t5時(shí)，原邊電流負(fù)載電流次工作狀態(tài)結(jié)束，持續(xù)時(shí)間為

7）工作狀態(tài)6［t5，t6］，這時(shí)間段，電壓供電給負(fù)載，此時(shí)原邊電流為

在t6時(shí)刻，Q3關(guān)斷，變換器開始對(duì)稱的另一個(gè)半周期工作，情況完全等同于上半周期［7］。

1.3 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

UCC28950相移控制器是 TI公司的 UCCx895系列相移控制器工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上對(duì)功能進(jìn)行優(yōu)化提高而推出的新產(chǎn)品，可以為當(dāng)今高性能要求的電源系統(tǒng)提供最高的頻率轉(zhuǎn)換效率，UCC28950應(yīng)用了先進(jìn)的全橋控制和主動(dòng)的同步整流輸出控制，初級(jí)信號(hào)允許編程延遲來確保在寬負(fù)載電流和輸入電壓范圍內(nèi)ZVS（零電壓切換）能正常運(yùn)行，而負(fù)載電流自然地調(diào)整次級(jí)同步整流器開關(guān)延遲時(shí)間，最終實(shí)現(xiàn)效率達(dá)到最大［9］。

圖3 UCC28950內(nèi)部電路框圖

本文以UCC28950作為主控器，用DSP完成輸出電壓調(diào)節(jié)，輸出電流調(diào)節(jié)，溫度保護(hù)及故障輸出等功能，各參數(shù)通過數(shù)碼管顯示，并留有串行通信接口，方便在線調(diào)試和特殊參數(shù)設(shè)計(jì)。

UCC28950具備電壓方式控制（VSM）和電流控制（CSM）兩種工作模式，其中電流控制模式（CSM）具有防止變壓器偏磁功能［10］，本設(shè)計(jì)中采用后者，主回路負(fù)責(zé)功率轉(zhuǎn)換的IGBT模塊采用國產(chǎn)杭州士蘭微股份有限公司生產(chǎn)的SGM50HF12A3V2，功能上能滿足要求，可靠性好，價(jià)格相對(duì)實(shí)惠。IGBT驅(qū)動(dòng)卡，采用TI的高速隔離驅(qū)動(dòng)芯片ISO5500，同時(shí)使用德國 VAC變壓器作為隔離電源，性能可靠。

2 仿真與實(shí)驗(yàn)

2.1 參數(shù)仿真

主電路仿真條件:PSIM9.03，輸入直流電壓Vin=500V，輸出直流電壓 Vo=250V，變壓器原副邊變比K=2，計(jì)算得到:輸出濾波電感Lf=140μH，輸出濾波電容CL=2000μF，諧振電感Lr=5μF，開關(guān)頻率f =50kHz，超前臂電容C1=C3=1800pF，滯后臂電容C2=C4=3600pF。

圖4 仿真模型

圖5 仿真波形

2.2 實(shí)驗(yàn)測試

搭建完成樣機(jī)如圖6所示，輸入三相AC 380V，此時(shí)直流電壓540V，輸出直流電壓 Vo=0～250V，輸出電流 Io=0～20A，額定最大輸出功率 Vop=VoIo= 5kW，設(shè)定整機(jī)輸出效率91%，計(jì)算設(shè)定開關(guān)頻率變壓器原副邊變比取 K=14/8；同仿真時(shí)參數(shù)選取輸出濾波電感Lf=140μH，輸出濾波電容CL=2000μF，諧振電感Lr=5μF，超前臂電容C1=C3=1800pF，滯后臂電容 C2=C4=3600pF。其中:ΔV輸出端整流管、繞組和線路壓降的總和，σm為最大占空比。

圖6 樣機(jī)

圖7 實(shí)測波形

其中通道1為變壓器原邊電壓Vab，通道3為變壓器原邊電流Ip，通道4為變換器的直流輸出電壓Vo。

2.3 結(jié)果與分析

通過仿真波形圖5可以看出，仿真結(jié)果和理論分析的主要波形圖2基本一致，此仿真模型及仿真方法是可行的，通過按照理論計(jì)算得到的數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)的大功率DC/DC開關(guān)電源變換器實(shí)測如圖7所示的波形可以看出，實(shí)際測試的波形變壓器原邊電壓Vab，原邊電流Ip和理論及仿真波形基本一致，且變換器的直流輸出電壓Vo波形達(dá)到理想輸出，如圖7所示實(shí)測波形通過圖4所示。這說明了用本方法仿真設(shè)計(jì)全橋移相變換器是切實(shí)可行的，并對(duì)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)具有實(shí)際的指導(dǎo)意義。

3 結(jié)論

本文介紹了采用UCC28950作為控制器的移相全橋ZVS變換器的工作原理、實(shí)現(xiàn)全橋移相軟開關(guān)的條件，對(duì)ZVS變換器的主要電路參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并利用 PSIM軟件對(duì)主回路及控制進(jìn)行閉環(huán)仿真，仿真結(jié)果與理論分析基本一致，最后通過實(shí)際電路做成最大輸出5kW的開關(guān)電源進(jìn)行了測試，實(shí)際測試波形與理論分析及仿真波形基本一致，這證明了此方法設(shè)計(jì)參數(shù)的正確性，同時(shí)也驗(yàn)證了該電路的超前、滯后臂能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)，可以大大減小開關(guān)損耗，有利于充分提高開關(guān)頻率，對(duì)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)具有實(shí)際的指導(dǎo)意義。

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Design of a ZVS Phase-Shifted Full Bridge Converter based on UCC28950

Wang Jiaxiao
（Hangzhou Silan Microelectronics Co.，Ltd，Hangzhou 310000）

Used UCC28950 to designing phase-shifted full-bridge converter transformer，achieved the leading-leg and the lagging-led zero voltage switching，which the structure was simple and duty cycle loss was small and the soft switching was easy to implement and so on.First，it was analyzed its principle from all around，and discussed the condition of achieving soft switching designs the main parameters，then was simulated it by using PSIM software.The results prove that parameters are designed reasonably to actual design of 5kW high-power AC/DC switching power converter.

phase shifted full bridge；ZVS；simulation；convertor

王家校（1981-），男，浙江杭州人，研究生，工程師，研究方向?yàn)殡娏﹄娮?，EMC及嵌入式控制系統(tǒng)。