【正文】 DC/DC變換器設(shè)計 6 移相軟開關(guān)技術(shù)，以恒定頻率 PWM 方式工作，在功率器件開關(guān)過程中諧振，使其工作在軟開關(guān)狀態(tài)，兼顧了 PWM 變換器和諧振變換器的優(yōu)點，即：首先實現(xiàn)了功率管的 ZVS工作方式，其次開關(guān)頻率恒定。但是， ZVZCS 方案需要在變換器的主功率電路中串入某些元件 (如阻斷二極管，阻斷電容等 )，用以阻斷變壓器原邊電流的反向通路。 UAB 為 A、 B 兩點間電壓， Vin 為輸入直流電壓。此時，原邊電流 ip=Ipo=Io/n， Io是輸出負載電流。因此 Q1是零電壓關(guān)斷。在這個時段里，雖然濾波電感 Lf 折算到原邊的電感為零，但由于漏感還是較大，所以原邊電流稍微減小。此時 VAB=VC4,而 VAB的極性自零變?yōu)樨?。?Q2不流過電流，ip由 D2流通，漏感的儲能回饋給輸入電源。 圖 (e) 開關(guān)模態(tài) 4( t3， t4) （ 6）開關(guān)模態(tài) 5[t4,t5] 在 t4時刻，原邊電流由正方向過零，并且向負方向增加，流經(jīng) Q2和 Q4。 圖 (f) 開關(guān)模態(tài) 5(t4， t5) （ 7）開關(guān)模態(tài) 6[t5,t6] 從 t5 時刻開始，原邊向負載提供能量，輸出整流管 D21 自然關(guān)斷。即兩種電流同時對并聯(lián)電容放電，能在各種負載電流，特別是輕載或空載下，也能在 Q2 或 Q4 開通之前，抽完并聯(lián)電容中的電荷順利實現(xiàn) ZVS。諧振電感的加入是為了利用其 能量抽走并接在開關(guān)管兩端的電容上的電荷。利用輔助諧振電路的電感能量，可以在較寬的負載范圍內(nèi)實現(xiàn) ZVS。因此在開關(guān)管開關(guān)時，原邊電流和輔助電感電流同時流入或同時流出節(jié)點 B,兩個電流相互疊加增強。 為方便分析，作如下假定： 所有開關(guān)管、二極管電容、電感均為理想器件；可飽和電感在線性區(qū)電感量為 Lr，在飽和狀態(tài)時電感量為 0，其臨界飽和電流為 CI ； C2=C4=Cr； 32Ca Ca Ca??； 在一個開關(guān)周期中，變換器有 12 種工作狀態(tài)： （ 1） 開關(guān)模態(tài) 0 在 0t 時刻，變換器原邊處于續(xù)流狀態(tài)，此時 0()La ci t I? 。在這段時間里，各電容電壓、電感電流為： （ ） （ ） （ ） （ ） 式中， 在 1t 時刻， C4 電壓上升到 inV ， D2 自然導(dǎo)通，開關(guān)模態(tài) 1 結(jié)束，其持續(xù)時間為： （ ） 開關(guān)模態(tài) 1 結(jié)束時， La 和 Lr 的電流為： （ ） （ ） 101111 s in ()aincVt Z I I? ?? ?? ? 221 1()La L VinIt caLZea II ???? ?????? ? 21( ) ( )acee cLr raLLI t I I IcaII? ? ? ??1( ) ( ) ( c o s 1 )Lr e c a crLi t I I t IL ?? ? ? ?1( ) ( ) ( c o s 1 )e aLa carLi t I I t IL ?? ? ? ?raraLLL LLe ???2 1 1( ) ( ) sinc in c aV t V Z I I t?? ? ?? ?4 1 1( ) sinc c aV t Z I I t???1 /2erZ L C? 1 21erLC? ?全橋移相軟開關(guān) DC/DC變換器設(shè)計 14 圖 . t0t1 狀態(tài)下的等效電路圖 (3)開關(guān)模態(tài) 2（ t1， t2） 在這段時間里 Q2 零電壓開通。開關(guān)模態(tài) 3 持續(xù)的時間為： （ ） 輔助電感電流下降到： 3()LaIt （ ） 圖 t2t3 狀態(tài)下的等效電路圖 (5)開關(guān)模態(tài) 4（ t3， t4） 在這個開關(guān)模態(tài)中，主功率回路給負載供電，而輔助電感電流繼續(xù)線性下降，直到LaI 下降到零，結(jié)束開關(guān)模態(tài) 4。 () () () 式中 開關(guān)模態(tài) 5 的持續(xù)時間為： () () 圖 t4t5 狀態(tài)下的等效電路圖 （ 7）開關(guān)模態(tài) 6（ t5， t6） 在 t5 時刻， Da1 導(dǎo)通，把 La 兩端電壓鉗位為零，輔助電感電流通過 Q2 和 Dal續(xù)流其電流值為 5()LaIt。這樣為 t6 時刻關(guān)斷 Q2 作了初始條件與 Q4 關(guān)斷時相似的準(zhǔn)備，即：26( ) 0cVt? ， 46()c inV t V? ， 6()LrI t Ic?? ， 62( ) /Lr inI t V Z?? ， 16( ) 0caVt? ， 26()ca inV t V? 。 （ ） （ ） Lr， Cr 和 Ic的確定 這三個參數(shù)由下面三個方程決定： （ ） （ ） agI22 LaCa?222sTLaCa k? ?1( ) s in2 c a g igI I t VLeCr ???1( ) ( c o s 1 )c a g c cI I t I ILeLr ?? ? ? ? ?2 2 igagVLaZ Ca I??2ag sigITCa VK??ig saagVTL IK??全橋移相軟開關(guān) DC/DC變換器設(shè)計 18 （ ） 由式 ()()可以求出下列三個參數(shù) ： （ ） （ ） （ ） 又有 () 可得： （ ） 對 igV 的選取 前面討論時，是針對一個給定的 inV 值來設(shè)計的，而 inV 是變化的，一般允許 inV 有+15%20%的波動。因為在輸入電壓和負載變化時，移相角也在變化，使得變壓器原邊兩端電壓脈沖的脈寬同時也跟著改變，在輸入電壓幅值增加和輕載時脈寬變窄，而功率傳輸?shù)倪^程正是輔助諧振網(wǎng)絡(luò)諧振的過程，我們希望在功率傳輸過程 結(jié)束后，輔助電容上的電壓能夠上升到 inV ，使得輔助諧振網(wǎng)絡(luò)電感的電流依然保持 2/inVZ值。也就是說第三個條件成立的前提是 K 值要滿足 ()式。 Ag的取值 gA 不能無限制地趨近于 1，這就是由于受到 K 值的選擇的限制。此時輔助諧振網(wǎng)絡(luò)一方面要繼續(xù)給 C4 充電，使 C2 放電，另一方面還要給負載供電 。 La 選定后，就可以由 ()式確定 agI ，即： （ ） sag aigVTI KL?? ?全橋移相軟開關(guān) DC/DC變換器設(shè)計 21 第 4 章 硬件電路設(shè)計 主電路原理 主電路包括以下幾個部分： 整流與濾波：將電網(wǎng)交流電源直接整流為較平滑的直流電，以供下一級變換。 主電路圖如圖 所示。其電路圖如圖 所示： 圖 全波整流電路圖 高頻逆變 功率場效應(yīng)管 MOSFET 與雙極晶體管不同，是電壓驅(qū)動的多數(shù)載流子導(dǎo)電器件，這就決定了其驅(qū)動電路簡單，驅(qū)動功率小。 高頻變壓器Tm起隔離和升壓的作用。 （ 1） 電壓型全橋逆變電路原理 移相控制全橋變換 電路是目前應(yīng)用最為廣泛的軟開關(guān)電路之一，它的特點是電路簡單，與傳統(tǒng)的硬開關(guān)電路相比，并沒有增加輔助開關(guān)等元件。 它共有 4 個橋臂，可以看成由兩個半橋電路組合而成。反偏，并且 Q1 和 Q2 的柵極信號互補， Q3 和 Q4 的柵極信號互補，但 Q3 的基極信號比 Q Q1 的柵極信號前移了 180176。 圖 全橋逆變電路 （ 2） MOSFET 管的電壓電流計算與選擇 目前應(yīng)用于開關(guān)電源中的開關(guān)管，通常是 IGBT 和 MOSFET 兩種。此外， IGBT 的通態(tài)損耗一般也比 MOSFET 高。故在本變換器中，選擇 MOSFET 作為主功率開關(guān)管是比較適合的。考慮到兩倍的余量，可以選用標(biāo)稱電流大于 255=110A 的開關(guān)管。當(dāng)輸出電壓比較高、輸出電流比較小時，一般采用全橋整流方式。其控制電路的主要部分如圖 所示。 UC3875 有 20 腳和 28 腳兩種 ,本設(shè)計中用到的是 20 腳的 UC3875 芯片， 表 1 為管腳功能簡要說明 。最好的辦法是接一個 。 全橋移相軟開關(guān) DC/DC變換器設(shè)計 26 管腳 4 為誤差放大器的同相輸入端，該腳與基準(zhǔn)電壓相連，以檢測 E/A（－）端的輸出電源電壓。 管腳 15 為輸出延遲控制端，通過設(shè)置該 管腳 到地之間的電流來設(shè)置死區(qū)，加于同一橋臂兩管驅(qū)動脈沖之間，以實現(xiàn)兩管零電壓開通時的瞬態(tài)時間，兩個半橋死區(qū)可單獨提供以滿足不同的瞬態(tài)時間。 管腳 11 為芯片供電電源端，該 管腳 提供芯片內(nèi)部數(shù)字、模擬電路部分的電源，接于 12V 穩(wěn)壓電源。如果接旁路電容，它就很快脫離欠壓鎖定狀態(tài)。 管腳 17 為時鐘 /同步端，作為輸出，提供時鐘信號 ； 作為輸入，該 管腳 提供一個同步點。 管腳 19 為斜波端，該 管腳 是 PWM 比較器的一個輸入端，可通過一個電容 CR 連接到地，電壓以下式陡度建立： dv/dt=Vs/(RS CR)。 UC3875 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 圖 移相控制芯片 UC3875 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 電路設(shè)置 （ 1） 脈寬控制電路 脈寬控制電路是開關(guān)電源 的核心部分，目前有多種集成的脈寬控制電路器件?；鶞?zhǔn)電壓 Ur 和取樣電壓經(jīng)過比較放大，產(chǎn)生一個直流誤差電壓 Ue， Ue 送到 A2，與 A2 另一輸入端的斜坡電壓 Us 比較，輸出PWM 波形。因此，柵極驅(qū)動器的負載能力必須足夠大，以保證在系統(tǒng)要求的時間內(nèi)完成對等效柵極電容（ CEI）的充電 。 當(dāng)通過 IGBT 的電流過大超過了其所能承受的最大電流時，若不采取必要的限流保護措施，則 IGBT 會在很短的時間內(nèi)損壞。通過在芯片的軟啟動端 (6 腳 )接一適當(dāng)?shù)碾娙荩涂梢允?UC3875 具有軟啟動功能。在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的情況下， R6與 R5 的比例應(yīng)選得較高，這樣有利于改善系統(tǒng)的動態(tài)特性和提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度。這樣可減小功率管的通態(tài)電流，降低輸出整流二極管的反向電壓，從而減小損耗和降低成本，提高系統(tǒng)的效率和可靠性。 DV 是輸出整流二極管的通態(tài)壓降， LFV 輸出濾波電感銅損帶來的直流壓降，故高頻變壓器原副邊變比為： m in s e c . m a x 5905 0 0 0 . 7 2 0 . 50 . 8 5o D L Fs VDV V VV ????? ? ? ?m inm in 0 .0 321590sinVn V ???全橋移相軟開關(guān) DC/DC變換器設(shè)計 30 （ 2）確定 變壓器原邊和副邊的匝數(shù) 由于變壓器工作在雙向矩形脈沖狀態(tài)，根據(jù)參考文獻，原邊匝數(shù) Np 可由下式?jīng)Q定： （ ） 取 Np=3 匝。 輸出濾波電感的設(shè) 計 （ 1）輸出濾波電感的電感量 按經(jīng)驗公式算法，當(dāng)輸出電流在二分之一脈動值時，輸出濾波電感電流應(yīng)當(dāng)保持連續(xù)狀態(tài)。 這樣輸出濾波電感電流的最大脈動值為： m a x m a x2 2 0. 65 1. 3Lf oI I A? ? ? ?。對于高壓輸出的整流電路來說，一般采用橋式整流，變壓器只要引出兩根線即可。這樣可按下式來近似計算整流管的電流： 2002 1 1 08 ( 2 ) 2o inLf DVVCVL f V VVn????? ? ?? ????m a x 12 5 8 3 30 .0 3sin pNVVN? ? ? ?全橋移相軟開關(guān) DC/DC變換器設(shè)計 32 （ ） 變壓器的副邊的最大占空比為 ，最大負載電流為 ，根據(jù)上式可計算出DrI =。 本論文針對此問題展開研究，引入了移相全橋ZVS 軟開關(guān)技術(shù)，成功實現(xiàn)了變換器的 ZVS 開關(guān)，大大降低了變換器的開關(guān)損耗，提高了變換器的效率和功率密度。 同時為使電路長期穩(wěn)定、安全可靠地工作，論文設(shè)計了保護電路，主要 采取 了 必要的限流保護措施， 避免 當(dāng)通過 IGBT 的電流過大超過了其所能承受的最大電流 ，導(dǎo)致IGBT 會在很短的時間內(nèi)損壞。他對工作孜孜不倦的追求、勤奮忘我的工作態(tài)度深深影響了我，將永遠鞭策我不斷努力。 感謝大學(xué)中所有幫助過我的老師和同學(xué)。 全橋移相軟開關(guān) DC/DC變換器設(shè)計 36 附錄 設(shè)計總圖