基于UC3875的ZVZCS PWM軟開(kāi)關(guān)直流電源

　　目前，中、大功率開(kāi)關(guān)電源的主回路基本上都是采用全橋變換器結(jié)構(gòu)，其相應(yīng)的軟開(kāi)關(guān)工作方式有三種，即零電壓開(kāi)關(guān)(ZVS)、零電流開(kāi)關(guān)(ZCS)和零電壓零電流開(kāi)關(guān)(ZVZCS)。ZVS工作模式下全橋變換器的滯后臂不易實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)關(guān)且存在變壓器副邊電壓占空比丟失，ZCS工作模式下全橋變換器的滯后臂不易實(shí)現(xiàn)零電流開(kāi)關(guān)且存在變壓器副邊輸出電流占空比丟失，這兩種電路拓?fù)渥陨淼木窒尴拗屏似溥M(jìn)一步發(fā)展的空間，雖然采用輔助電路在一定程度可以改善其特性，但是增加了元器件和電路的復(fù)雜性，而且在高頻下還會(huì)引入干擾。ZVZCS軟開(kāi)關(guān)工作模式基本上克服了ZVS和ZCS軟開(kāi)關(guān)模式的固有缺陷，使全橋變換器的超前臂實(shí)現(xiàn)ZVS，而滯后臂實(shí)現(xiàn)ZCS，在中、大功率開(kāi)關(guān)電源中具有廣闊的應(yīng)用前景。為此，本文介紹了一臺(tái)采用移相諧振控制芯片UC3875作為控制核心設(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)頻率為70kHz、輸出功率1．2kW、主電路為移相全橋ZVZCS PWM軟開(kāi)關(guān)模式的直流開(kāi)關(guān)電源。

　　l 移相式ZVZCSPWM軟開(kāi)關(guān)電源主電路分析

　　在設(shè)計(jì)制作的1．2kW(480V／2．5A)的軟開(kāi)關(guān)直流電源中，其主電路為全橋變換器結(jié)構(gòu)，四只開(kāi)關(guān)管均為MOSFET(1000V／24A)，采用移相ZVZCSPWM控制，即超前臂開(kāi)關(guān)管實(shí)現(xiàn)ZVS、滯后臂開(kāi)關(guān)管實(shí)現(xiàn)ZCS，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖l，VT1～VT4是全橋變換器的四只MOSFET開(kāi)關(guān)管，VD1、VD2分別是超前臂開(kāi)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，以實(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。

　　其基本工作原理如下：

　　當(dāng)開(kāi)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(kāi)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(guò)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)決定的移相角，經(jīng)過(guò)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(kāi)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(guò)原邊放電，當(dāng)C2電壓降到零后，VD2自然導(dǎo)通，這時(shí)開(kāi)通VT2，則VT2即是零電壓開(kāi)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(kāi)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(guò)VT2、VT4、VD4進(jìn)行放電，Cb兩端電壓維持不變，這時(shí)流過(guò)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(guò)預(yù)先設(shè)置的死區(qū)時(shí)間后開(kāi)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(kāi)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(guò)VD3、VT3、Cb放電完畢后，VD1自然導(dǎo)通，此時(shí)開(kāi)通VT1即是零電壓開(kāi)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(guò)預(yù)選設(shè)置好的死區(qū)時(shí)間延遲后開(kāi)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(kāi)通。

　　這種采用超快恢復(fù)二極管阻斷原邊反向電流方式的移相式ZVZCS PWM全橋變換器拓?fù)涞睦硐牍ぷ鞑ㄐ稳鐖D2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。

　　2 基于UC3875的主控制回路設(shè)計(jì)

　　為了實(shí)現(xiàn)主回路開(kāi)關(guān)管ZVZCS軟開(kāi)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(guò)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)MOSFET開(kāi)關(guān)管。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(kāi)關(guān)頻率為70kHz，死區(qū)時(shí)間設(shè)置為1．5μs，采用簡(jiǎn)單的電壓控制模式，電源輸出直流電壓通過(guò)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一，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一和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(guò)壓、輸出過(guò)流、高頻變?cè)呥^(guò)流、開(kāi)關(guān)管過(guò)熱等故障時(shí)，通過(guò)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(kāi)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l：1．3的三繞組變壓器。UC3875輸出的單極性脈沖經(jīng)過(guò)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(kāi)關(guān)管的穩(wěn)定開(kāi)通和關(guān)斷。

　　3 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(kāi)關(guān)頻率70kHz的ZVZCS軟開(kāi)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(kāi)關(guān)頻率的要求。開(kāi)關(guān)管MOSFET采用IXYS公司的IXFK24N100開(kāi)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，因此主回路中超前橋臂無(wú)需另外再接反并超快恢復(fù)二極管，VD1、VD2就利用開(kāi)關(guān)管自身的反并二極管已滿足要求，C1、C2利用開(kāi)關(guān)管的結(jié)電容，其容值大約為8．2nF。根據(jù)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的要求以及相關(guān)計(jì)算，制作主變壓器時(shí)，原、副邊變比選為1：2．6，主變壓器的設(shè)計(jì)采用了AP法，結(jié)合實(shí)際制作過(guò)程中的反復(fù)實(shí)驗(yàn)，最后選擇型號(hào)為EE55的軟磁鐵氧體磁心作為主變壓器的磁心，原邊10匝，副邊26匝，導(dǎo)線均為多股漆包線，繞制方式：最里層副邊13匝、中間層原邊10匝、最外層副邊13匝，變壓器原邊電感222μH、漏感1．8μH，副邊電感1490μH、漏感9．2μH。副邊輸出電感的設(shè)計(jì)同樣采用AP法，鐵心采用EI型的軟磁鐵氧體，多股導(dǎo)線并繞。

　　圖5是超前橋臂開(kāi)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(jiàn)超前臂開(kāi)關(guān)管完全實(shí)現(xiàn)了ZVS開(kāi)通，VT1、VT2關(guān)斷時(shí)是依賴其自身很小的結(jié)電容來(lái)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6是滯后橋臂開(kāi)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是滯后臂開(kāi)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，從圖6、圖7可以看出滯后臂開(kāi)關(guān)管VT3、VT4很好地實(shí)現(xiàn)了ZCS關(guān)斷，關(guān)斷時(shí)開(kāi)關(guān)管電流已經(jīng)為零；滯后臂開(kāi)關(guān)管完全開(kāi)通之前，開(kāi)關(guān)管電流也幾乎為零，基本實(shí)現(xiàn)了ZCS開(kāi)通。而且滯后橋臂開(kāi)關(guān)管VT3、VT4可以在很大負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)ZCS開(kāi)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。從圖上可以看出，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(kāi)關(guān)。

　　4 結(jié)論

　　本文在介紹了移相諧振控制芯片UC3875的工作特點(diǎn)并詳細(xì)分析了采用串聯(lián)阻斷二極管的移相式ZVZCS PWM軟開(kāi)關(guān)工作特性的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一臺(tái)1．2kW、開(kāi)關(guān)頻率70kHz的全橋軟開(kāi)關(guān)直流電源，并應(yīng)用PSpice軟件進(jìn)行了仿真，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果基本符合。實(shí)驗(yàn)表明以UC3875為核心的控制部分結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，電源主電路開(kāi)關(guān)管均實(shí)現(xiàn)了軟開(kāi)關(guān)，并克服了單純的ZVS或ZCS軟開(kāi)關(guān)模式的缺點(diǎn)，可有效減小開(kāi)關(guān)管開(kāi)關(guān)過(guò)程引起的損耗，有利于提高電源開(kāi)關(guān)頻率，減小電源體積和重量。