移相全橋ZVS軟開關(guān)DC－DC穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)與分析

吳 帆

（鹽城工學(xué)院 電氣工程學(xué)院 江蘇 鹽城224051）

1 任務(wù)來(lái)源及項(xiàng)目背景

某系統(tǒng)的功率放大器工作電壓范圍為10～50 V，配套電源系統(tǒng)承擔(dān)著為功放組件提供直流能量的作用，電源的性能指標(biāo)直接影響系統(tǒng)的整機(jī)性能。目前為該系統(tǒng)批量生產(chǎn)的配套開關(guān)電源普遍采用硬開關(guān)PWM技術(shù)。在硬開關(guān)狀態(tài)下，PWM變換器隨著開關(guān)頻率的上升，開關(guān)管的開關(guān)損耗會(huì)成正比增加，使電源的效率降低，處理功率的能力減弱，電源功率密度的提高受到限制；同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的電磁干擾（EMI）噪聲，影響系統(tǒng)的信號(hào)質(zhì)量，硬開關(guān)PWM技術(shù)已不能適應(yīng)系統(tǒng)對(duì)電源高功率密度、高效率、低噪聲的發(fā)展要求［1］。為克服硬開關(guān)PWM技術(shù)的諸多缺點(diǎn)，近年來(lái)軟開關(guān)PWM技術(shù)的研究得到了迅速發(fā)展，軟開關(guān)技術(shù)可以使開關(guān)電源的損耗大大降低，可以使電源的功率密度做得更高，體積重量得以減輕，可靠性得以提高，電磁干擾也大大減小。因此采用軟開關(guān)技術(shù)的開關(guān)電源有較好的應(yīng)用前景。

2 電源設(shè)計(jì)方案

該電源的主要技術(shù)指標(biāo)：（1）輸入電壓：交流50 Hz，三相380 V±15%，三相五線制；（2）輸出電壓：直流40～50 V，可調(diào)；（3）功率因數(shù)≥0．86（滿載）；（4）效率≥0．91（滿載）；（5）浪涌電流（～380 V加電）：≤2．5倍最大工作電流；（6）最大輸出功率：5 kW；（7）最大輸出電流：100 A；（8）電壓調(diào)整率：≤0．1%；（9）負(fù)載調(diào)整率：≤0．5%；（10）輸出紋波噪聲：≤80 mV（峰－峰值）；（11）最大外形尺寸：高304 mm×寬144 mm×深400 mm。

設(shè)計(jì)難度在于輸出功率大、體積小、功率密度和效率要求高，紋波要求比較苛刻，這些指標(biāo)要求均超過(guò)以往設(shè)計(jì)的電源指標(biāo)。如果仍采用以往常用的PWM硬開關(guān)技術(shù)，是很難滿足設(shè)計(jì)要求的。在電路的選擇上，主功率變換電路采用PWM移相控制的全橋ZVS軟開關(guān)變換器，電源開關(guān)頻率選50 kHz。圖1所示為該電源原理框圖。

圖1 電源原理框圖

3 電源的主電路組成及工作原理

電源的主電路如圖2所示，由輸入整流濾波電路（含輸入電流防沖擊電路）、全橋DC／DC逆變電路、高頻變壓器、諧振電感和隔直電容、輸出整流濾波電路等部分組成。

圖2 電源主電路

3．1 輸入整流濾波電路

對(duì)三相380 V／50 Hz交流電源進(jìn)行整流和濾波，EMI濾波器是三相輸入電磁干擾濾波器，用于減小電源內(nèi)部噪聲對(duì)電網(wǎng)的干擾，同時(shí)也能抑制電網(wǎng)上的噪聲對(duì)電源的干擾。V5為三相整流橋。L1是輸入濾波電感，為抑制電源開機(jī)時(shí)由于電解電容瞬間充電出現(xiàn)的過(guò)大沖擊電流。由電阻R2和場(chǎng)效應(yīng)管V7構(gòu)成防沖擊電路，開機(jī)時(shí)，先通過(guò)限流電阻R2對(duì)輸入濾波電容C10、C11充電，使沖擊電流受到限制；同時(shí)整流后的電壓經(jīng)電阻R1、R5對(duì)電容C14進(jìn)行充電，當(dāng)電容C14上的電壓達(dá)到場(chǎng)效應(yīng)管V7的G－S開啟電壓時(shí)，V7飽和導(dǎo)通，將電阻R2短路，電源進(jìn)入正常工作狀態(tài)。最后得到520 V左右的直流電壓，供給DC／DC全橋逆變電路［2］。

3．2 全橋變換器

全橋逆變電路由V1～V4四個(gè)功率開關(guān)管MOSFET組成，V1和V2分別超前于V4和V3一個(gè)相位，稱V1和V2組成的橋臂為超前橋臂，V3和V4組成的橋臂則為滯后橋臂。V10～V13分別是V1～V4的內(nèi)部集成體二極管，C3、C4、C6、C7分別是 V1～V4的輸出電容，L2是諧振電感，T1是高頻變壓器，C5為隔直流電容。變換器采用零電壓移相控制方式，每個(gè)橋臂的兩個(gè)功率管成180°互補(bǔ)導(dǎo)通，兩個(gè)橋臂的導(dǎo)通角相差一個(gè)相位，即移相角，通過(guò)調(diào)節(jié)移相角的大小來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓。

3．3 高頻變壓器、諧振電感及隔直電容

高頻變壓器T1起到降壓和絕緣隔離的作用諧振電感L2實(shí)現(xiàn)功率開關(guān)管的零電壓開關(guān)。由于功率開關(guān)管的離散性和反饋回路引起的不對(duì)稱，全橋逆變電路的交流方波電壓中含有直流分量，如果不用隔直電容將直流分量隔去，將引起高頻變壓器磁芯單向偏磁，磁芯易飽和，可能導(dǎo)致全橋逆變電路的開關(guān)管燒毀。C5用來(lái)防止高頻變壓器直流磁化。電流互感器T2對(duì)開關(guān)變壓器的初級(jí)電流進(jìn)行取樣，輸出信號(hào)送給控制保護(hù)電路作電流保護(hù)用。

3．4 輸出整流濾波電路

將變壓器副邊輸出的高頻交流方波電壓經(jīng)過(guò)整流、濾波后電壓取樣反饋再經(jīng)調(diào)節(jié)，得到穩(wěn)定的50 V直流電壓。圖中V8和V9是輸出整流二極管，R6、C15和R7、C16是吸收緩沖電路，用來(lái)吸收二極管反向恢復(fù)時(shí)產(chǎn)生的尖峰。L3是輸出濾波電感，C8是濾波電容，L4是輸出共模濾波電感。R8是輸出直流電流取樣電阻。

4 電源的控制保護(hù)電路

電源的控制保護(hù)電路以移相控制器UC1875為核心，外加均流控制電路、過(guò)流過(guò)壓比較電路和穩(wěn)壓恒流電路等組成。

4．1 均流控制電路

將輸出電流取樣信號(hào)放大后產(chǎn)生與輸出電流成比例的電壓信號(hào)，電壓信號(hào)與均流母線上的電壓信號(hào)比較。如果某個(gè)電源的輸出電流增大，成為N個(gè)電源中電流最大的一個(gè)，電壓信號(hào)大于均流母線上的電壓信號(hào)，該電源自動(dòng)成為主電源，其他電源為從電源，均流母線上的電壓變?yōu)镮OMAX，其余電源的輸出電流信號(hào)與均流母線上的電壓進(jìn)行比較，通過(guò)調(diào)整運(yùn)放的7腳輸出電平來(lái)改變穩(wěn)壓環(huán)電壓取樣回路的分壓比，自動(dòng)調(diào)整電源的輸出電壓，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)均流的功能。

4．2 輸出過(guò)流和輸出過(guò)壓比較電路

當(dāng)出現(xiàn)輸出過(guò)流或過(guò)壓時(shí)，運(yùn)放輸出高電平，通過(guò)二極管與過(guò)溫信號(hào)、軟起動(dòng)信號(hào)等形成或門，接到UC1875的電流檢測(cè)端，使UC1875的輸出全部關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)電源的保護(hù)。

4．3 穩(wěn)壓電路

輸出電壓取樣信號(hào)UO經(jīng)電阻分壓后送到誤差放大器的同相輸入端，電壓基準(zhǔn)經(jīng)電阻分壓后送入反相輸入端，取樣信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)比較后通過(guò)調(diào)整運(yùn)放的輸出端電壓來(lái)調(diào)整UC1875運(yùn)放補(bǔ)償端的電壓，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓的目的。

4．4 恒流電路

輸出電流采樣信號(hào)經(jīng)運(yùn)放、電阻分壓后送入誤差放大器的反相端，與同相端的電壓基準(zhǔn)進(jìn)行比較，當(dāng)輸出電流超過(guò)恒定電流設(shè)定值時(shí)，輸出端電壓降低，使UC1875運(yùn)放補(bǔ)償端的電壓隨之降低，通過(guò)UC1875的調(diào)整使電源工作在恒流狀態(tài)。

5 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

由于高壓大電流功率場(chǎng)效應(yīng)管的輸入電容Ciss很大，如果直接由控制芯片UC1875驅(qū)動(dòng)，芯片的驅(qū)動(dòng)功率較大導(dǎo)致芯片的損耗和溫升增加，工作可靠性降低。采用外加驅(qū)動(dòng)放大電路對(duì)控制芯片提供的驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行放大，兩組三級(jí)管分別構(gòu)成兩對(duì)圖騰柱，其輸出分別接驅(qū)動(dòng)變壓器的初級(jí)，變壓器的次級(jí)分別驅(qū)動(dòng)同一橋臂的兩個(gè)功率場(chǎng)效應(yīng)管。雙向穩(wěn)壓管分別并在四個(gè)功率場(chǎng)效應(yīng)管的G－S間，防止G－S間過(guò)壓。由于驅(qū)動(dòng)變壓器驅(qū)動(dòng)同一個(gè)橋臂兩個(gè)功率管，因此要求繞組之間必須有650 V以上的絕緣電壓。

6 電路仿真

為了驗(yàn)證本文基于移相全橋ZVS軟開關(guān)所設(shè)計(jì)的電源工作原理，利用PSPICE軟件對(duì)該電源電路進(jìn)行了仿真，由于測(cè)試電壓電流波形時(shí)采用差分探頭，示波器顯示原邊電壓波形（圖3CH1）和原邊電流波形（圖3CH2）與實(shí)際波形相比幅值縮小100倍。

6．1 全橋變換器原邊電壓和電流

圖3（a）、（b）、（c）、（d）分別為樣機(jī)電源輸出功率1／3額定負(fù)載（33 A）、1／2額定負(fù)載（50 A）、2／3額定負(fù)載（70 A）、滿載（100 A）時(shí)全橋變換器原邊電壓和原邊電流波形。電壓電流波形與理論波形一致。從波形中可以看出，所有波形均較干凈，原邊電流由于有諧振電感的存在，沒有傳統(tǒng)硬開關(guān)變換器所出現(xiàn)的導(dǎo)通電流尖峰。

6．2 MOSFET驅(qū)動(dòng)電壓和漏源極電壓波形

圖4（a）、（b）、（c）分別為樣機(jī)電源輸出功率1／3額定負(fù)載（33 A）、1／2額定負(fù)載（50 A）、2／3額定負(fù)載（70 A）時(shí)全橋變換器橋臂的一個(gè)MOSFET的漏源極電壓波形（圖4CH1）和驅(qū)動(dòng)電壓波形（圖4CH2），從圖中可以看出，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓變?yōu)檎较驎r(shí)，其漏源極電壓已經(jīng)為零了，其內(nèi)部寄生的反并二極管已經(jīng)導(dǎo)通，此時(shí)開通MOSFET就是零電壓開通，這說(shuō)明移相控制方案實(shí)現(xiàn)了開關(guān)管的零電壓開關(guān)。

圖3 全橋變換器原邊電壓和原邊電流波形

圖4 MOSFET驅(qū)動(dòng)電壓和漏源極電壓波形

6．3 全橋變換器原邊電壓和副邊電壓波形

圖5（a）、（b）、（c）、（d）分別為樣機(jī)電源輸出功率1／3額定負(fù)載（33 A）、1／2額定負(fù)載（50 A）、2／3額定負(fù)載（70 A）、滿載（100 A）時(shí)全橋變換器原邊電壓（CH1）和副邊電壓（CH2）波形。從這四幅圖中可以看出，當(dāng)原邊電流從零變化到正方向（或負(fù)方向）時(shí)，副邊存在占空比丟失，負(fù)載越大，副邊占空比丟失越嚴(yán)重。

7 結(jié) 論

目前該5 kW電源的樣機(jī)已交付使用，從使用的情況看，該電源的性能指標(biāo)及可靠性均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

圖5 全橋變換器原邊電壓和副邊電壓波形

（1）體積小、重量輕、效率高

本電源的最大外形尺寸為：高304 mm×寬144 mm×深400 mm，重量17 kg，額定輸出功率5 kW，功率 密度2 8 5 W／dm3。電路設(shè)計(jì)采用PWM移相軟開關(guān)技術(shù)并適當(dāng)提高電源的工作頻率，減小開關(guān)管的損耗，減小磁性元件的體積重量；合理選擇諧振電感的值，保證在1／3負(fù)載至滿載情況下變換器的開關(guān)管均可實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)；

（2）紋波指標(biāo)高

根據(jù)實(shí)測(cè)指標(biāo)顯示，電源的輸出紋波峰－峰值小于70 mV，已接近常規(guī)線性穩(wěn)壓電源的指標(biāo)，大大優(yōu)于常規(guī)PWM硬開關(guān)變換器的150～200 mV紋波指標(biāo)，完全可以滿足使用要求。

（3）電磁兼容性好

由于采用PWM軟開關(guān)技術(shù)，開關(guān)頻率固定，開關(guān)管在零電壓條件下導(dǎo)通和關(guān)斷，減少了開關(guān)器件的di／dt與dv／dt，從而有效地降低了電路的開關(guān)損耗和開關(guān)噪聲，減少了器件開關(guān)過(guò)程中產(chǎn)生的電磁干擾；同時(shí)在電源的輸入端使用交流EMI濾波器，降低了電源產(chǎn)生的干擾噪聲對(duì)電網(wǎng)的影響［3］。

（4）內(nèi)部模塊化設(shè)計(jì)

整個(gè)電源電路按功能不同分為輸入濾波、驅(qū)動(dòng)電路、控制保護(hù)、輔助電源、電源監(jiān)控等幾個(gè)相對(duì)獨(dú)立的功能塊，有利于系統(tǒng)的調(diào)試和維修。

（5）具有并聯(lián)自動(dòng)均流功能

每個(gè)電源內(nèi)部都有均流控制電路，可實(shí)現(xiàn)多路電源的并聯(lián)，以此組成大功率電源系統(tǒng)，由于采用冗余設(shè)計(jì)可以提高電源系統(tǒng)的可靠性。

［1］ 吳新開，楊勝?gòu)?qiáng)．基于軟開關(guān)技術(shù)的PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)［EB／OL］．http：／／www．elecfans．com／article／83／116／2009／2009070976092．html，2009－7－9．

［2］ 鞠文耀，唐登平，趙 皊，陳善華．相控陣?yán)走_(dá)陣面電源的設(shè)計(jì)［J］．現(xiàn)代雷達(dá)，2004，（6）：67－70．

［3］ 范學(xué)磊，劉 平，張本庚．280 W移相全橋軟開關(guān)DC／DC變換器設(shè)計(jì)［J］．電子設(shè)計(jì)工程，2010，（5）：117－119．