移相全橋為開關直流穩壓電源設計概念
2017-6-23 10:36:56??????點擊：
主直流穩壓電源電路分析
這款軟開關直流穩壓電源采用了全橋變換器結構，使用MOSFET作為開關管來使用，參數為1000V/24A。采用移相ZVZCSPWM控制，即超前臂開關管實現ZVS、滯后臂開關管實現ZCS。直流穩壓電源電路結構簡圖如圖1，VT1~VT4是全橋變換器的四只MOSFET開關管，VD1、VD2分別是超前臂開關管VT1、VT2的反并超快恢復二極管，C1、C2分別是為了實現VTl、VT2的ZVS設置的高頻電容，VD3、VD4是反向直流穩壓電源電流阻斷二極管，用來實現滯后臂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構成的高頻整流直流穩壓電源電路以及Lf、C3、C4等濾波器件組成。
直流穩壓電源基本工作原理如下：
當開關管VT1、VT4或VT2、VT3同時導通時，直流穩壓電源電路工作情況與全橋變換器的硬開關工作模式情況一樣，主變壓器原邊向負載提供能量。通過移相控制，在關斷VT1時并不馬上關斷VT4，而是根據輸出反饋信號決定移相角，經過一定時間后再關斷VT4，在關斷VT1之前，由于VT1導通，其并聯電容C1上直流穩壓電源電壓等于VT1的導通壓降，理想狀況下其值為零，當關斷VT1時刻，C1開始充電，由于電容直流穩壓電源電壓不能突變，因此，VT1即是零直流穩壓電源電壓關斷。
由于變壓器漏感L1k以及副邊整流濾波電感的作用，VT1關斷后，原邊直流穩壓電源電流不能突變，繼續給Cb充電，同時C2也通過原邊放電，當C2直流穩壓電源電壓降到零后，VD2自然導通，這時開通VT2，則VT2即是零直流穩壓電源電壓開通。
當C1充滿電、C2放電完畢后，由于VD2是導通的，此時加在變壓器原邊繞組和漏感上的直流穩壓電源電壓為阻斷電容Cb兩端直流穩壓電源電壓，原邊直流穩壓電源電流開始減小，但繼續給Cb充電，直到原邊直流穩壓電源電流為零，這時由于VD4的阻斷作用，電容Cb不能通過VT2VT4、VD4進行放電，Cb兩端直流穩壓電源電壓維持不變，這時流過VT4直流穩壓電源電流為零，關斷VT4即是零直流穩壓電源電流關斷。
關斷VT4以后，經過預先設置的死區時間后開通VT3，由于直流穩壓電源電壓器漏感的存在，原邊直流穩壓電源電流不能突變，因此VT3即是零直流穩壓電源電流開通。
VT2、VT3同時導通后原邊向負載提供能量，一定時間后關斷VT2。由于C2的存在，VT2是零直流穩壓電源電壓關斷，如同前面分析，原邊直流穩壓電源電流這時不能突變，C1經過VD3、VT3。Cb放電完畢后，VD1自然導通，此時開通VT1即是零直流穩壓電源電壓開通，由于VD3的阻斷，原邊直流穩壓電源電流降為零以后，關斷VT3，則VT3即是零直流穩壓電源電流關斷，經過預選設置好的死區時間延遲后開通VT4，由于變壓器漏感及副邊濾波電感的作用，原邊直流穩壓電源電流不能突變，VT4即是零直流穩壓電源電流開通。
ZVZCS PWM全橋變換器拓撲的理想工作波形如圖2所示，其中Uab表示主直流穩壓電源電路圖3中a、b兩點之間的直流穩壓電源電壓，ip為變壓器T原邊直流穩壓電源電
流，Ucb為阻斷電容Ub上的直流穩壓電源電壓，Urect是副邊整流后的直流穩壓電源電壓。
UC3875的直流穩壓電源主控制回路設計
為了實現主回路開關管ZVZCS軟開關，采用UC3875為其設計了PWM移相控制直流穩壓電源電路，如圖3所示。考慮到所選MOSFET功率比較大，對芯片的四個輸出驅動信號進行了功率放大，再經高頻脈沖變壓器T1、T2隔離，最后經過驅動直流穩壓電源電路驅動MOSFET開關管。
整個控制系統所有供電均用同一個15V直流直流穩壓電源，實驗中設置開關頻率為70kHz，死區時間設置為1.5μs，采用簡單的直流穩壓電源電壓控制模式，直流穩壓電源輸出直流直流穩壓電源電壓通過采樣直流穩壓電源電路、光電隔離直流穩壓電源電路后形成控制信號，輸入到UC3875誤差放大器的EA，控制UC3875誤差放大器的輸出，從而控制芯片四個輸出之間的移相角大小，使直流穩壓電源能夠穩定工作，圖中R6、C5接在EA和E/AOUT之間構成PI控制。在本設計中把CS+端用作故障保護直流穩壓電源電路，當發生輸出過壓、輸出過流、高頻變原邊過流、開關管過熱等故障時，通過一定的轉換直流穩壓電源電路，把故障信號轉換為高于2.5V的直流穩壓電源電壓接到CS+端，使UC3875四個輸出驅動信號全為低電平，對直流穩壓電源電路實現保護。
圖4是開關管的驅動直流穩壓電源電路。隔離變壓器的設計采用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過放大直流穩壓電源電路、隔離直流穩壓電源電路和驅動直流穩壓電源電路后形成+12V/一5V的雙極性驅動脈沖，保證開關管的穩定開通和關斷。
仿真與實驗結果分析
PSpice是一款功能強大的直流穩壓電源電路分析軟件，對開關頻率70kHz的ZVZCS軟開關直流穩壓電源的仿真是在PSpice9.1平臺上進行的。
實驗樣機的主回路結構采用圖1所示的直流穩壓電源電路拓撲，阻斷二極管采用超快恢復大功率二極管RHRG30120，其反向恢復時間在100ns以內，滿足70kHz開關頻率的要求。開關管MOSFET采用IXYS公司的IXFK24N100開關管，這種型號MOS管自身反并有超快恢復二極管，其反向恢復時間約250ns。
圖5是超前橋臂開關管驅動直流穩壓電源電壓與管壓降波形圖，(a)為仿真波形、(b)為實驗波形，可見超前臂開關管完全實現了ZVS開通，VT1、VT2關斷時是依賴其自身很小的結電容來實現的，從圖中可以看出，關斷時也基本實現了ZVS關斷。
圖6是滯后橋臂開關管驅動直流穩壓電源電壓與直流穩壓電源電流波形圖，(a)為仿真波形、(b)為實驗波形;
圖7是滯后橋臂開關管管壓降與直流穩壓電源電流波形圖，(a)為仿真波形、(b)為實驗波形。
從圖6、圖7可以看出滯后臂開關管VT3、VT4很好地實現了ZCS關斷，關斷時開關管直流穩壓電源電流已經為零。滯后臂開關管完全開通之前，開關管直流穩壓電源電流也幾乎為零，基本實現了ZCS開通。而且滯后橋臂開關管VT3、VT4可以在很大負載范圍內實現ZCS開關。
圖8是兩橋臂中點之間的直流穩壓電源電壓Uab的波形圖，(a)為仿真波形、(b)為實驗波形。
從上圖可以看出，由于有Ucb的存在，Uab不是一個方波。當Uab=0時，阻斷電容Cb上的直流穩壓電源電壓Ucb使原邊直流穩壓電源電流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，從而實現了滯后橋臂的ZCS開關。
綜上所述，我們能夠發現，直流穩壓電源采用UC3875作為核心控制器件的好處是結構簡單、性能可靠。并且主直流穩壓電源電路的開關管全部實現了軟開關，同時還避免了ZVS以及ZCS模式當中常見的一些錯誤。能夠顯著的減少在開關過程當中開關管發生的損耗，進而提高開關頻率，減少直流穩壓電源的體積并減輕重量。
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