【正文】 按轉(zhuǎn)換前后電能的種類，開關(guān)變換器可分為四類： (1)直流變換器 (DCDC），將一種直流電能 轉(zhuǎn)換為另一種或是多種直流電能的變換器，是直流開關(guān)電源的主要部件； (2)逆變器 (DCAC），將直流電能變換為交流電能的電能變換器，是交流開關(guān)電源和不間斷 電源的主要部件 ； (3)整流器 (ACDC)，將交流電轉(zhuǎn)換為直流電的電能變換器 ； (4)交交變頻器 (ACAC)，將一種頻率的交流電轉(zhuǎn)換為另一種頻率可變的交流電，或是將一種頻率可變的交流電轉(zhuǎn)換成某一種頻率的交流電的電能變換器。單管變換器有六種，即降壓式 (Buck)變換器、升壓式 (Boost)變換器、升降壓式 (Buck/Boost)變換器、 Cuk 變換器、 Zeta 變換器和 Sepic 變換器。單管的有正激 (Forward)和反激 (Fly back)變換器兩種。按照 開關(guān)管的數(shù)量和器件的組成結(jié)構(gòu)來(lái)看，多數(shù)開關(guān)變換器的種類的適用功率范圍和其他設(shè)計(jì)特性如表 所示 表 11 常見(jiàn)的 PWM 開關(guān)變換器的住拓?fù)浔容^ 開關(guān)電源的硬開關(guān)方式，因開關(guān)損耗大，限制了開關(guān)頻率的提高。 軟開關(guān)直流變換器的發(fā)展 高頻化、小型化、輕量化是現(xiàn)代開關(guān)變換器的發(fā)展趨勢(shì)。要提高開關(guān)頻率，必須解決上述開關(guān)管的硬開關(guān)問(wèn)題，因此，軟開關(guān)技術(shù)就應(yīng)運(yùn)而生，并廣泛應(yīng)用在半橋、全 橋變換器中。該類變換器實(shí)際上是負(fù)載諧振型變換器，按照諧振元件的諧振方式，分為串聯(lián)諧振變換器 (Series resonant converters， SRCs)和并聯(lián)諧振變換器 (Parallel resonant converters， PRCs)兩類。 (2)準(zhǔn)諧振變換器 (Quasiresonant converters， QRCs)和多諧振變換器(Multiresonant converters， MRCs)。這類變換器需要采用頻率調(diào)制控制方法。它可分為零電壓開關(guān) PWM變換器 (Zerovoltageswitching PWM converters)和零點(diǎn)流開關(guān)PWM變換器 (Zerocurrentswitching PWM converters)。為了解決這些問(wèn)題，零轉(zhuǎn)換 PWM變換器被提出。 ⑤ 有源鉗位軟開關(guān)變換器。 ⑥ 廣義軟開關(guān) PWM變換器。 移相全橋軟開關(guān)電路由于把 PWM 控制技術(shù)與 軟開關(guān)技術(shù)結(jié)合在了一起，所以在中大功率變換器中應(yīng)用非常的廣泛。 inV1gV2gV3gV4gV1Q2Q3Q4Q1C2C3C4C1D3D2D4DlkLT 5D6DfLfC0R圖 21 基本電 路結(jié)構(gòu) 圖 ， inV 是直流輸入電壓； 1Q ~ 4Q 是四個(gè)主功率開關(guān)管； 1gV ~ 4gV分別是 1Q ~ 4Q 的驅(qū)動(dòng)信號(hào)； 1D ~ 4D 和 1C ~ 4C 分別是 1Q ~ 4Q 的反并聯(lián)二極管和并聯(lián)電容； lkL 是變壓器原邊串聯(lián)的諧振電感，包括變壓器的漏感； bC 是第 2 章 移相全橋 DCDC 變換器的工作原理 7 變壓器 原邊 的 隔直電容，用以防止變壓器直流偏磁現(xiàn)象發(fā)生； T為高頻變壓器； 5D 、 6D 是 變壓器 副邊 的 整流二極管； fL 和fC分別是輸出濾波電感和濾波電容； 0R 是負(fù)載。互為對(duì)角的開關(guān)管導(dǎo)通和關(guān)斷都是同時(shí)進(jìn)行的方式，其門極信號(hào)的時(shí)序波形圖如圖 23所示。 第二種控制策略 ―有限雙極性控制 ‖，有兩種情況： 第一種情況是兩只對(duì)角開關(guān)管同時(shí)開通，但不同時(shí)關(guān)斷 .這種情形下，其中一個(gè)管子的導(dǎo)通時(shí)間長(zhǎng)度仍由 ，但另一只管子卻推遲關(guān)斷時(shí)間，最多可以到接近 。這就是所謂的 ―有限雙極性控制 ‖的另外 一種情況，可能的實(shí)現(xiàn)方法也有兩種，如圖 25所示。這種控制策略是本次設(shè)計(jì)采用的控制方式，如圖 26。圖 率管的四個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)及主要工作波形，每 組 橋臂的兩個(gè)功率開關(guān)管成 180176。在分析之前，做出如下假設(shè)：所有開關(guān)管，二極管為理想器件，所有電容，電感和變壓器為理想元件。如圖 27所示 。原副邊的電流回路如圖 28所示。雖然 3Q 被開通，但 3Q 并沒(méi)有電流通過(guò)，原邊電流由 3D 流過(guò)。 2t 時(shí)刻，原邊電流下降到 2I 。此時(shí)4AB CVV??， ABV 的極性自零變?yōu)樨?fù)，變壓器副邊繞組電勢(shì)下正上負(fù)，整流二極管同時(shí)導(dǎo)通，將變壓器副邊繞組短接，這樣變壓器副邊繞組電壓為零，原邊繞組電壓也為零， ABV 直接加到諧振電感上。由電路結(jié)構(gòu)可得： 4prCdiLudt ?? (29) 4log 12C pduCidt ? (210) 即： 2log 22 prpdiL C idt ?? (211) 令log12CrL?? ，解得： ? ?22cospi I t t??? (212) 4 22lo g s in ( )2rC Lu I t tC ??? (213) 令log2rp LZ C? ，則有： 4 22si n ( )Cpu Z I t t??? (214) 2 22si n ( )C in pu V Z I t t?? ? ? (215) 在 3t 時(shí)刻， 4Q 電壓上升至 inV ， 2C 電壓下降到零， 2D 自然導(dǎo)通，開關(guān)管2Q 和 4Q 的導(dǎo)通延遲時(shí)間 t4： 121 sin indpVt ZI? ? ??? ???? (216) 第 2 章 移相全橋 DCDC 變換器的工作原理 17 (5) 開關(guān)模態(tài) 4， 34[ , ]tt 在 3t 時(shí)刻， 2D 自然導(dǎo)通，將 2Q 的電壓箝在零位，此時(shí)開通 2Q ， 2Q 是零電壓開通。當(dāng)原邊電流下降到零，二極管 2D 和 3D自然關(guān)斷， 2Q ， 3Q 中將流過(guò)電流。由于原邊電流還不足以提供負(fù)載電流，負(fù)載電流還是由兩個(gè)整流管提供回路，因此原邊電流還是為零，加在諧振電感兩端電壓是電源電壓 inV ，原邊電流反向增加。 (7) 開關(guān)模態(tài) 6， 56[ , ]tt 在這段時(shí)間里，電源給負(fù)載供電，原邊電流增加。因?yàn)檫@種變換器具有 12 種開關(guān)狀態(tài)，因此列寫狀態(tài)空間方程式是一個(gè)非常復(fù)雜的工作。 RCL^inV^innV d1:offD^inn V dR 圖 214 BUCK 變換器的小信號(hào)模型 由于諧振電感 lkL 和變壓器副邊整流二級(jí)管的影響，移相全橋變換器存在占空比丟失的現(xiàn)象，副邊占空比為： ? ?2 2 1 / 2offlk LoinD D DnLD I D V T LVT? ? ?? ? ? ????? (219) 移相全橋變換器輸出電壓增益為： 第 2 章 移相全橋 DCDC 變換器的工作原理 19 ? ?22 2 1 / 2o lko ff L oin inV n Ln D n D I D V T LV V T? ? ? ? ????? (220) 其中， n 為變壓器副邊匝數(shù)與原邊匝數(shù)的比值； LI 為電感電流平均值。 (3) 輸入電壓擾動(dòng) ^inV 對(duì) offD 的影響 ^vd ? ?? ?^^2^21 22214o lkL inino dL ininD V T nLd I VL V TD V T RIVL nV T???? ? ????????? ? ????? (223) 當(dāng) ? ?1 4 oLD V T IL?時(shí)，則有 ^^2d inL inRd I VnV?? (224) 把上述結(jié)果加到 BUCK 變換器的平均小信號(hào)電路模型中，也就是通過(guò)用 offd 的總的變化 ^offd 來(lái)代替在 BUCK 變換器小信號(hào)模型的 ^d 從而獲得移相全橋 ZVS 變換器的小信號(hào)模型。 RCL^inV^innV d1:offD^inn V dR??^^vin inV d d???????^^vin inV d dR??????? 圖 215 移相全橋 ZVS變換器的小信號(hào)模型 可進(jìn)行小信號(hào)分析，推導(dǎo)出移相全橋 ZVS 變換器的主電路傳遞函數(shù)。最后對(duì)建立了變換器的小信號(hào)模型，為設(shè)計(jì)其控制電路提供了依據(jù)。所有的元器件均在低電壓、低電流下工作，還有負(fù)載范圍寬，占空比損失小等優(yōu)點(diǎn)，從而使此變換器具有高效率，低成本，解決了目前常見(jiàn)變換器的許多問(wèn)題 [8] 第 3 章 移相全橋 DCDC 變換器的主電路設(shè)計(jì)與開環(huán)仿真 23 主電路 參數(shù)設(shè)計(jì) 已知 Vin=200~300V， Vo=177。 因?yàn)?2 onsTD T? ，一般 ? ，若 取 ? 。 (2)輸出濾波電感 在設(shè)計(jì) Buck 變換器的輸出濾波電感時(shí)，要求輸出濾波電感電流在某一個(gè)最小電流 oI (ccm)是保持濾波電感可以按下式計(jì)算 ? ? 61 9 0 .3 1 04LfsRDLHf ??? ? ? (37) 考慮留有一定的余量， 取 100fL ???。 主電路仿真分析 MATLAB簡(jiǎn)介 MATLAB 是一種科學(xué)計(jì)算軟件。在 SIMULINK 平臺(tái)上，拖拉和連接典型模塊就可以繪制仿真對(duì)象的模型 框圖，并對(duì)模型進(jìn)行仿真。 開環(huán) 仿真電路的建立 在 simulink 窗口中建立如圖 31 所示的仿真電路圖 。 圖 31移相全橋變換器的開環(huán)仿真電路圖 開環(huán)仿真波形 對(duì)于仿真結(jié)果 ，給出以下三組波形，可以幫 助分析電路的工作過(guò)程并進(jìn)一步優(yōu)化電路的結(jié)構(gòu)和參數(shù)。 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 28 第 4章 移相 全橋 DCDC變換器 控制電路設(shè)計(jì)與閉環(huán) 仿真 控制電路的設(shè)計(jì) (1)振蕩器頻率的設(shè)定 UC3875 芯片內(nèi)部高頻振蕩器的振蕩頻率取決于接在該腳和信號(hào)地之間的電阻和電容值 ,即 F E R Q SE TF R E Q SE T CRf ??4 (51) 而開關(guān)管頻率為 20kHz,又振蕩器產(chǎn)生的時(shí)鐘信號(hào)經(jīng)過(guò) D 觸發(fā)器 2 分頻后，從 D 觸發(fā)器輸出端的到方波信號(hào)以驅(qū)動(dòng) MOSFET，故 f 為 40kHz。 主要芯片介紹 本電路控制芯片采用 UC3875，功率開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)芯片為 IR2110。 圖 41 UC3875芯片的管腳示意圖 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 30 圖 42 UC3875芯片內(nèi)部原理框圖 UC3875 的管腳功能 UC3875有 20腳和 28腳兩種，這里僅介紹 20腳的 UC3875的管腳功能。最好的辦法是接一個(gè) 。 管腳 4 為誤差放大器的同相輸入端，該引腳與基準(zhǔn)電壓相連，以檢測(cè)第 4 章 移相全橋 DCDC 變換器控制電路設(shè)計(jì)與閉環(huán)仿真 31 E/A（－）端的輸出電源電壓。 管腳 15 為輸出延遲控制端，通過(guò)設(shè)置該引腳到地之間的電流來(lái)設(shè)置死區(qū)，加于同一橋臂兩管驅(qū)動(dòng)脈沖之間，以實(shí)現(xiàn)兩管零電壓開通時(shí)的瞬態(tài)時(shí)間，兩個(gè)半橋死區(qū)可單獨(dú)提供以滿足不同的瞬態(tài)時(shí)間。 管腳 11 為芯片供電電源端，該引腳提供芯片內(nèi)部數(shù)字、模擬電路部分的電源，接于 12V 穩(wěn)壓電源。如果接一旁路電容，它就很快脫離欠壓鎖定狀態(tài)。最簡(jiǎn)單的用法是：具有不同振蕩頻率的多個(gè) UC3875 可通過(guò)連接其同步端，使它們同步工作于最高頻率。 管腳 20 為信號(hào)地端， GND 是所有電壓的參考基準(zhǔn)。 (1)工作電源 UC3875 工作電源分為兩個(gè)： Vin(pin 11)和 Vcc(pin 10)，其中 Vin 供給內(nèi)部邏輯電路用，它對(duì)應(yīng)于信號(hào)地 GND(pin20)， Vcc 供給輸出級(jí)用，它對(duì)應(yīng)于電源地 PWR GND(pin 12)。 (3)振蕩器 芯片內(nèi)有一個(gè)高速振蕩器，在頻率設(shè)定腳 FREQ SET(pin 16)與信號(hào)地之間接一個(gè)電容和電阻可以設(shè)置振蕩頻率，從而設(shè)置輸出級(jí)的開關(guān)頻率。在 RAMP 與 PWM 比較器的輸入端之間有一個(gè) 的偏置，因此適當(dāng)?shù)剡x擇 RSlOPE 和 CRAM 的值，就能使誤差放大器的輸出電壓不超過(guò)鋸齒波的幅值，從而實(shí)現(xiàn)最大占空比限制。因此SOFTSTART 工作時(shí)，輸出級(jí)的移相角從 0176。這兩個(gè)方波信號(hào)從 OUTA(pin 14)和 OUTB(pin 13)輸出，并與振蕩時(shí)鐘信號(hào)同步，延時(shí)電路為這兩個(gè)方波信號(hào)設(shè)置死區(qū)。 圖 2 為四個(gè)輸出的邏輯時(shí)序圖，通過(guò)調(diào)節(jié)移相角可以控制