以移相全橋?yàn)橹麟娐返能涢_關(guān)電源設(shè)計(jì)全解
移相全橋變換器可以大大減少功率管的開關(guān)電壓、電流應(yīng)力和尖刺干擾,降低損耗,提高開關(guān)頻率。如何以UC3875為核心,設(shè)計(jì)一款基于PWM軟開關(guān)模式的開關(guān)電源?請(qǐng)見下文詳解。
主電路分析
這款軟開關(guān)電源采用了全橋變換器結(jié)構(gòu),使用MOSFET作為開關(guān)管來使用,參數(shù)為1000V/24A.采用移相ZVZCSPWM控制,即超前臂開關(guān)管實(shí)現(xiàn)ZVS、滯后臂開關(guān)管實(shí)現(xiàn)ZCS.電路結(jié)構(gòu)簡圖如圖1,VT1~VT4是全橋變換器的四只MOSFET開關(guān)管,VD1、VD2分別是超前臂開關(guān)管VT1、VT2的反并超快恢復(fù)二極管,C1、C2分別是為了實(shí)現(xiàn)VTl、VT2的ZVS設(shè)置的高頻電容,VD3、VD4是反向電流阻斷二極管,用來實(shí)現(xiàn)滯后臂VT3、VT4的ZCS,Llk為變壓器漏感,Cb為阻斷電容,T為主變壓器,副邊由VD5~VD8構(gòu)成的高頻整流電路以及Lf、C3、C4等濾波器件組成。
圖1 1.2kw軟開關(guān)直流電源電路結(jié)構(gòu)簡圖
其基本工作原理如下:
當(dāng)開關(guān)管VT1、VT4或VT2、VT3同時(shí)導(dǎo)通時(shí),電路工作情況與全橋變換器的硬開關(guān)工作模式情況一樣,主變壓器原邊向負(fù)載提供能量。通過移相控制,在關(guān)斷VT1時(shí)并不馬上關(guān)斷VT4,而是根據(jù)輸出反饋信號(hào)決定移相角,經(jīng)過一定時(shí)間后再關(guān)斷VT4,在關(guān)斷VT1之前,由于VT1導(dǎo)通,其并聯(lián)電容C1上電壓等于VT1的導(dǎo)通壓降,理想狀況下其值為零,當(dāng)關(guān)斷VT1時(shí)刻,C1開始充電,由于電容電壓不能突變,因此,VT1即是零電壓關(guān)斷。
由于變壓器漏感L1k以及副邊整流濾波電感的作用,VT1關(guān)斷后,原邊電流不能突變,繼續(xù)給Cb充電,同時(shí)C2也通過原邊放電,當(dāng)C2電壓降到零后,VD2自然導(dǎo)通,這時(shí)開通VT2,則VT2即是零電壓開通。
當(dāng)C1充滿電、C2放電完畢后,由于VD2是導(dǎo)通的,此時(shí)加在變壓器原邊繞組和漏感上的電壓為阻斷電容Cb兩端電壓,原邊電流開始減小,但繼續(xù)給Cb充電,直到原邊電流為零,這時(shí)由于VD4的阻斷作用,電容Cb不能通過VT2、VT4、VD4進(jìn)行放電,Cb兩端電壓維持不變,這時(shí)流過VT4電流為零,關(guān)斷VT4即是零電流關(guān)斷。
關(guān)斷VT4以后,經(jīng)過預(yù)先設(shè)置的死區(qū)時(shí)間后開通VT3,由于電壓器漏感的存在,原邊電流不能突變,因此VT3即是零電流開通。
VT2、VT3同時(shí)導(dǎo)通后原邊向負(fù)載提供能量,一定時(shí)間后關(guān)斷VT2.由于C2的存在,VT2是零電壓關(guān)斷,如同前面分析,原邊電流這時(shí)不能突變,C1經(jīng)過VD3、VT3.Cb放電完畢后,VD1自然導(dǎo)通,此時(shí)開通VT1即是零電壓開通,由于VD3的阻斷,原邊電流降為零以后,關(guān)斷VT3,則VT3即是零電流關(guān)斷,經(jīng)過預(yù)選設(shè)置好的死區(qū)時(shí)間延遲后開通VT4,由于變壓器漏感及副邊濾波電感的作用,原邊電流不能突變,VT4即是零電流開通。
ZVZCS PWM全橋變換器拓?fù)?/strong>的理想工作波形如圖2所示,其中Uab表示主電路圖3中a、b兩點(diǎn)之間的電壓,ip為變壓器T原邊電流,Ucb為阻斷電容Ub上的電壓,Urect是副邊整流后的電壓。
圖2 理想工作波形
UC3875的主控制回路設(shè)計(jì)
為了實(shí)現(xiàn)主回路開關(guān)管ZVZCS軟開關(guān),采用UC3875為其設(shè)計(jì)了PWM移相控制電路,如圖3所示。考慮到所選MOSFET功率比較大,對(duì)芯片的四個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行了功率放大,再經(jīng)高頻脈沖變壓器T1、T2隔離,最后經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)MOSFET開關(guān)管。
圖3 PWM移相控制電路
整個(gè)控制系統(tǒng)所有供電均用同一個(gè)15V直流電源,實(shí)驗(yàn)中設(shè)置開關(guān)頻率為70kHz,死區(qū)時(shí)間設(shè)置為1.5μs,采用簡單的電壓控制模式,電源輸出直流電壓通過采樣電路、光電隔離電路后形成控制信號(hào),輸入到UC3875誤差放大器的EA,控制UC3875誤差放大器的輸出,從而控制芯片四個(gè)輸出之間的移相角大小,使電源能夠穩(wěn)定工作,圖中R6、C5接在EA和E/AOUT之間構(gòu)成PI控制。在本設(shè)計(jì)中把CS+端用作故障保護(hù)電路,當(dāng)發(fā)生輸出過壓、輸出過流、高頻變?cè)呥^流、開關(guān)管過熱等故障時(shí),通過一定的轉(zhuǎn)換電路,把故障信號(hào)轉(zhuǎn)換為高于2.5V的電壓接到CS+端,使UC3875四個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)全為低電平,對(duì)電路實(shí)現(xiàn)保護(hù)。
圖4是開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)電路。隔離變壓器的設(shè)計(jì)采用AP法,變比為1:1.3的三繞組變壓器。UC3875輸出的單極性脈沖經(jīng)過放大電路、隔離電路和驅(qū)動(dòng)電路后形成+12V/一5V的雙極性驅(qū)動(dòng)脈沖,保證開關(guān)管的穩(wěn)定開通和關(guān)斷。
圖4 開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)電路
仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
PSpice是一款功能強(qiáng)大的電路分析軟件,對(duì)開關(guān)頻率70kHz的ZVZCS軟開關(guān)電源的仿真是在PSpice9.1平臺(tái)上進(jìn)行的。
實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的主回路結(jié)構(gòu)采用圖1所示的電路拓?fù)?,阻斷二極管采用超快恢復(fù)大功率二極管RHRG30120,其反向恢復(fù)時(shí)間在100ns以內(nèi),滿足70kHz開關(guān)頻率的要求。開關(guān)管MOSFET采用IXYS公司的IXFK24N100開關(guān)管,這種型號(hào)MOS管自身反并有超快恢復(fù)二極管,其反向恢復(fù)時(shí)間約250ns。
圖5是超前橋臂開關(guān)管驅(qū)動(dòng)電壓與管壓降波形圖,(a)為仿真波形、(b)為實(shí)驗(yàn)波形,可見超前臂開關(guān)管完全實(shí)現(xiàn)了ZVS開通,VT1、VT2關(guān)斷時(shí)是依賴其自身很小的結(jié)電容來實(shí)現(xiàn)的,從圖中可以看出,關(guān)斷時(shí)也基本實(shí)現(xiàn)了ZVS關(guān)斷。
圖5 超前橋臂開關(guān)管驅(qū)動(dòng)電壓與管壓降波形圖
圖6 滯后橋臂開關(guān)管驅(qū)動(dòng)電壓與電流波形圖
圖6是滯后橋臂開關(guān)管驅(qū)動(dòng)電壓與電流波形圖,(a)為仿真波形、(b)為實(shí)驗(yàn)波形;
圖7是滯后橋臂開關(guān)管管壓降與電流波形圖,(a)為仿真波形、(b)為實(shí)驗(yàn)波形。
圖7 滯后橋臂開關(guān)管VT3和VT4實(shí)現(xiàn)ZCS關(guān)斷
從圖6、圖7可以看出滯后臂開關(guān)管VT3、VT4很好地實(shí)現(xiàn)了ZCS關(guān)斷,關(guān)斷時(shí)開關(guān)管電流已經(jīng)為零。滯后臂開關(guān)管完全開通之前,開關(guān)管電流也幾乎為零,基本實(shí)現(xiàn)了ZCS開通。而且滯后橋臂開關(guān)管VT3、VT4可以在很大負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)ZCS開關(guān)。
圖8是兩橋臂中點(diǎn)之間的電壓Uab的波形圖,(a)為仿真波形、(b)為實(shí)驗(yàn)波形。
圖8 Uab的波形
圖9是阻斷電容Cb上的電壓U曲波形,(a)為仿真波形、(b)為實(shí)驗(yàn)波形。
圖9 Ucb的波形
從上圖可以看出,由于有Ucb的存在,Uab不是一個(gè)方波。當(dāng)Uab=0時(shí),阻斷電容Cb上的電壓Ucb使原邊電流ip逐漸減小到零,由于阻斷二極管的阻斷作用,ip不能反向流動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)了滯后橋臂的ZCS開關(guān)。
綜上所述,我們能夠發(fā)現(xiàn),采用UC3875作為核心控制器件的好處是結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠。并且主電路的開關(guān)管全部實(shí)現(xiàn)了軟開關(guān),同時(shí)還避免了ZVS以及ZCS模式當(dāng)中常見的一些錯(cuò)誤。能夠顯著的減少在開關(guān)過程當(dāng)中開關(guān)管發(fā)生的損耗,進(jìn)而提高開關(guān)頻率,減少電源的體積并減輕重量。
評(píng)論