全橋移相式高頻軟開關(guān)的改進研究與應用

顧 群

（無錫科技職業(yè)學院，無錫 214028）

0 引言

隨著計算機技術(shù)、通信技術(shù)和微電子技術(shù)的快速發(fā)展，人們對高性能的低壓大電流開關(guān)電源的需求越來越大。硬開關(guān)PWM隨著高頻大功率變換技術(shù)的日趨成熟，逐步被軟開關(guān)技術(shù)所代替。零電壓開關(guān)或零電流開關(guān)的軟開關(guān)技術(shù)的優(yōu)勢在于，充分應用諧振的原理, 使開關(guān)器件中的電流或電壓按正弦或準正弦規(guī)律變化。當電流自然過零時, 使器件關(guān)斷；或當電壓為零時, 使器件導通。與硬開關(guān)相比，軟開關(guān)的功率器件在零電壓、零電流條件下工作，功率器件開關(guān)損耗的下降（理論上可減少為零）有著十分理想的效果，因此在各個領(lǐng)域應用非常廣泛[1]。

通過開關(guān)管零電壓開關(guān)（ZVS）或零電流開關(guān)（ZCS）的實現(xiàn)，變換器的開關(guān)頻率與變換效率得到提高，器件的開關(guān)損耗顯著降低。PWM DC-DC全橋軟開關(guān)變換方式主要有兩種：一種就是零電壓開關(guān)方式（ZVS），這種方式中超前橋臂和滯后橋臂都采用ZVS一種模式，需要增加諧振電感，會導致二次側(cè)占空比減少；另一種就是零電壓零電流開關(guān)（ZVZCS）方式，這種方式中超前橋臂處于ZVS模式，而滯后橋臂處于ZCS模式，不需要諧振電感，也不存在單種ZVS方式中的一次側(cè)環(huán)流問題[2]。本文以PWM移相軟開關(guān)電源控制芯片UC3875為核心，在對一種零電壓零電流軟開關(guān)全橋變換器的電路拓撲結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)上，設計并驗證了一套高頻DC-DC開關(guān)電源。

1 變換器電路結(jié)構(gòu)分析

MOSFET、高速IGBT是全橋移相式軟開關(guān)中最為常用的功率變換器件。在ZVZCS方式中，超前臂采用ZVS有利于實現(xiàn)零電壓開關(guān)，一般為了實現(xiàn)ZVS需要，會將電容并聯(lián)在功率管兩端，MOSFET因其本身具有較大的寄生結(jié)電容，成為超前臂功率管的合適選擇。滯后臂采用ZCS方式，是由于滯后臂諧振過程中無反射電感，串聯(lián)諧振的電感量較小。因ZCS方式開關(guān)管兩端是不適合并聯(lián)電容的，同時考慮到ZCS關(guān)斷有益于降低IGBT關(guān)斷損耗，故滯后臂的功率管選用了IGBT[3]。

圖1 改進的ZVZCS全橋PWM變換器電路

1.1 全橋變換器電路結(jié)構(gòu)

本文提出的全橋變換器拓撲結(jié)構(gòu)中，超前臂功率管使用了低導通電阻MOSFET，因其內(nèi)部已經(jīng)集成了反向二極管，故可省去外部的并聯(lián)二極管。滯后臂功率管使用了單管IGBT管子，其內(nèi)部的快恢復二極管可以簡化外部的電路設計。具體電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。

ZVZCS和ZVS，這兩種全橋 PWM DC-DC變換器之間的一個主要區(qū)別是——增加了一個阻斷電容Cb。當VF1和IGBT4導通時， Cb被負載電流充電。當VF1（或VF2）關(guān)斷時，其內(nèi)部反向二極管導通后，一次側(cè)電流Ip因Cb兩端的電壓而減小到零，從而實現(xiàn)IGBT3和IGBT4的零電流開關(guān)。在達到零狀態(tài)時，Ip降低至零值后，無法在反方向持續(xù)增長，本文設計采用加入阻斷二極管的方法在零狀態(tài)時阻斷了Ip的反方向流動，如圖1中的VD1和 VD2。

一般變壓器的二次側(cè)都采用傳統(tǒng)的全波整流電路，存在著變壓器次級繞組利用率不高的問題。另外，中心抽頭的存在給變壓器的設計和制造帶來較大難度，而且外部引線的安裝和焊接也很難處理。本文提出的倍流整流電路CDR (Current-Double Rectifier)則很好的解決了這個問題（如圖1所示）。

圖2 ZVZCS全橋PWM變換波形圖

該倍流整流電路采用了共陽二極管接法，在變壓器的次級繞組上將產(chǎn)生高頻正負方波電壓，若次級繞組的上端電壓為正，則次級電流在流過L1、C和R、D2后重新流回次級繞組；若次級繞組的下端電壓為正，則次級電流在流過L2、C和R、D1后重新流回次級繞組。這樣就將高頻交流方波電壓整流為直流輸出電壓。倍流整流結(jié)構(gòu)減少了二次側(cè)電路的元器件和體積，減小了輸出電壓紋波，提高動態(tài)響應性能，降低了整流導通損耗和變壓器的銅損[4]。

1.2 工作過程研究

圖2所示為ZVZCS變換器工作過程中的波形輸出，每半個工作周期由6個不同的工作狀態(tài)組成。超前橋臂VF1、VF2和滯后橋臂IGBT3、IGBT4，作為各橋臂的開關(guān)，以大約50%占空比交錯通斷。

工作過程分析如下：

1）t0～t1階段。

開關(guān)VF1、IGBT4同時導通，Uab=Uin，電能經(jīng)變壓器Tr傳遞，Cb被電流Ip充電，阻斷電容Cb兩端的電壓Ucb（公式如下），將由負的最大值線性上升。

式中： I0為輸出負載電流；N為變壓器的二次側(cè)線圈與一次側(cè)線圈的匝比；Ucbp為電容Cb的峰值電壓值。

2）t1～t2階段。

開關(guān)VF1關(guān)斷，IGBT4仍處于導通狀態(tài)，并聯(lián)電容器C1被電路電流充電達到Uin。另一方面，電容C2被放電，直到其兩端電壓為零時，VF2內(nèi)部二極管導通，同時VF2導通，此為零電壓導通。

3）t2～t3階段。

電壓Uab被箝位至零，一次側(cè)電流Ip隨之線性下降至零，其原因在于阻斷電容器Cb兩端的電壓全部加在變壓器的漏感Lr上。

4）t3～t4階段。

阻斷二極管VD2使得電流Ip降至零后無法變負，而持續(xù)為零。a、b點對地電壓分別為0和-Ucbp，因此Uab=Ucbp。在此階段無電流流過IGBT4，即這個階段少數(shù)載流子經(jīng)復合移去，而這種將IGBT4關(guān)斷的方式我們就稱之為零電流關(guān)斷。

5）t4～t5階段。

此階段是一個死區(qū)時間，IGBT3在IGBT4關(guān)斷后，經(jīng)短暫延時后導通。但一次側(cè)電流Ip因存在漏感Lr，不能突變，IGBT3為零電流開通，最后一次側(cè)電路斷開。

6）t5～t6階段。

一次測電流Ip隨著IGBT3和VF2的導通，在反方向增大至最大值。另一方面，阻斷電容器Cb因被Ip反向充電，Ucb從而線性減少。Cb上的電壓Ucb，將為下一周期中IGBT3零電流關(guān)斷和IGBT4零電流開通作準備。

在t6時刻關(guān)斷VF3，開始下半個工作周期，其工作情況類似于前面的描述。

2 全橋移相式ZVZCS在開關(guān)電源中的典型應用

控制器UC3875是一種專用于移相PWM軟開關(guān)電源的高性能芯片，它有工作電源、基準電源、10MHz誤差放大器、振蕩器、軟啟動、鋸齒波發(fā)生器、PWM比較器和觸發(fā)器、過流保護、輸出級、死區(qū)時間設置和和頻率設置等部分組成[5]。它的四個獨立的圖騰柱式，可以提供2A的驅(qū)動峰值電流，可以直接驅(qū)動4只功率管，并且都能單獨進行死區(qū)時間時間的調(diào)整，即導通延時的調(diào)節(jié)。圖3為利用UC3875實現(xiàn)移相PWM控制的實際電路。

控制器UC3875內(nèi)部集成的誤差放大器，是實現(xiàn)移相PWM控制的關(guān)鍵部件。控制器芯片的4腳（E/A+）誤差放大器的同相輸入端在和1腳（Vref），基準電壓相連，經(jīng)線性光耦隔離后反饋至3腳（E/A-）誤差放大器的反相輸入的電壓值相比較，所得差值在放大后送至移相脈寬控制器，控制14腳OUTA、13腳 OUTB與 9腳 OUTC、8腳 OUTD之間的信號相位，這四個驅(qū)動信號經(jīng)擴流后由驅(qū)動變壓器去驅(qū)動MOSFET管，從而使波形占空比得到調(diào)整，將電源穩(wěn)定在預定值上。

圖3 UC3875移相PWM控制典型電路圖

圖4即為當電源額定輸入380V三相交流電（經(jīng)過整流后成為改變換器的輸入），不同輸出電流時的整機變換效率。采用ZVS PWM DC-DC變換器方案時，滿載輸出100A變換效率為91.8%，在使用本方案后，滿載變換效率為93.9%。

圖4 不同電流的轉(zhuǎn)換效率

3 結(jié)束語

本文通過分析移相ZVZCS PWM變換電路工作原理，提出具體改進方法，以UC3875為控制芯片，設計了改進后的DC-DC高頻軟開關(guān)電源，顯著提高了開關(guān)效率和安全性，并進一步降低了損耗。

[1] 劉勝利, 現(xiàn)代高頻開關(guān)電源實用技術(shù)[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2001.

[2] 李翼平, 周以榮, 李霄燕. 全橋相移零電壓零電流充電電源原理與設計[J]. 電測與儀表, 2002, 39(2): 27-29.

[3] 陸春華, 和衛(wèi)星. 移相式零電壓零電流高頻軟開關(guān)的研究與應用[J]. 電焊機, 2003, 33(3): 9-12.

[4] 周輝杰, 何志偉, 開關(guān)電源倍流同步整流器的研究[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù), 2006, 8.

[5] 何光普, 祝加雄, 基于UC3875的高頻開關(guān)電源的設計[J].價值工程, 2011, 12.