【正文】 個(gè)輔助開關(guān)管，來控制諧振元件的諧振過程，實(shí)現(xiàn)恒定頻率控制，即實(shí)現(xiàn)PWM控制。在零開關(guān)PWM變換器中，諧振電感串聯(lián)在主功率回路中，因此電路中總是存在著很大的環(huán)流能量，這不可避免的地增加了電路的通態(tài)損耗；另外，電感儲(chǔ)能與輸入電壓和輸出負(fù)載又很大的關(guān)系，這使得電路的軟開關(guān)條件極大地依賴于輸入電源和輸出負(fù)載的變化。(4)零轉(zhuǎn)換PWM變換器。這類變換器電路中環(huán)流能量被自動(dòng)地保持在較小的數(shù)值，且實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)的條件與輸入電壓和輸出負(fù)載的變化無關(guān)。在開關(guān)電源的開關(guān)管上并聯(lián)鉗位電路，可以抑制開關(guān)管上的電壓應(yīng)力。有源鉗位ZVS變換器可應(yīng)用于正激和反激等多種開關(guān)電源中。它利用吸收網(wǎng)絡(luò)以減小開關(guān)損耗，“軟化開關(guān)過程，可降低du/dt或di/dt，使開關(guān)管電壓和電流在開關(guān)過程中交疊的面積減小，大幅度降低開關(guān)損耗，有人稱之為廣義軟開關(guān)技術(shù)。如光伏發(fā)電中，光伏電池的輸出是不穩(wěn)定單極性的直流電，而后級(jí)逆變器的輸入需要穩(wěn)定的雙極性的直流電，并且需要實(shí)現(xiàn)直流電壓的升降。移相全橋電路作為目前應(yīng)用最廣泛的軟開關(guān)電路之一，它的特點(diǎn)是電路很簡單，同硬開關(guān)相比，并沒有在開關(guān)管上增加輔助開關(guān)等原件，而是僅僅增加了一個(gè)諧振電感，就是電路中四個(gè)開關(guān)期間都在零電壓的條件下開通。43第2章 移相全橋DCDC變換器的工作原理第2章 移相全橋DCDC變換器的工作原理 移相全橋變換器的基本結(jié)構(gòu)和主要電量移相全橋PWM DCDC變換器是較早出現(xiàn)的一種全橋軟開關(guān)變換器，它是利用功率開關(guān)管的寄生電容或外接電容和變壓器的漏感或原邊串聯(lián)電感作為諧振元件，使四個(gè)開關(guān)管實(shí)現(xiàn)零電壓開通和零電壓關(guān)斷(也稱準(zhǔn)零電壓關(guān)斷)，其電路結(jié)構(gòu)和主要電量波形分別如圖21和圖22所示。圖22 主要電量波形圖全橋DCDC變換器的控制策略共有三種，現(xiàn)簡述如下：全橋變換器為了得到輸出端的脈寬調(diào)制電壓，實(shí)際上只需在變壓器副邊得到一個(gè)交流方波電壓。第一種是最傳統(tǒng)的方法，這也是人們常說的“雙極性控制”。兩只對(duì)角開關(guān)管開通、關(guān)斷同時(shí)進(jìn)行， (D為占空比，T為開關(guān)周期)。根據(jù)兩組橋臂導(dǎo)通時(shí)間的不同，可以得到一組不同的控制策略，即為第二種和第三種控制策略。這就是所謂的“有限雙極性控制”的其中一類情況，可能的實(shí)現(xiàn)方式有兩種，如圖24所示。這種情形下，但是另外一只開關(guān)管卻將導(dǎo)通時(shí)間提前，使得導(dǎo)通時(shí)間提前，使得導(dǎo)通時(shí)間延長（）。第三種控制策略是“移相控制”。就是“移相控制方式”。與常規(guī)的PWM變換器相比，移相全橋PWM變換器具有很明顯的優(yōu)勢(shì)，主要特點(diǎn)是利用變壓器漏感及開關(guān)管結(jié)電容諧振，在不增加額外元器件的情況下，通過移相控制方式，使功率開關(guān)管實(shí)現(xiàn)了零電壓導(dǎo)通和關(guān)斷，減小了開關(guān)損耗，保持了恒頻控制。移相全橋ZVS PWM(FB PSZVSPWM)變換器利用變壓器的漏感或是在高頻變壓器的原邊串聯(lián)的電感和功率管的寄生電容或外接電容來實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)，電路的主要拓?fù)浼安ㄐ稳鐖D21所示，其中為諧振電感，它包括變壓器的漏感和外接電感；~以分別是四個(gè)功率管~的寄生電容或是外接電容；~分別是四個(gè)功率管的寄生二極管?；パa(bǔ)導(dǎo)通，兩組橋臂之間的導(dǎo)通角相差一個(gè)相位，即移相角，通過調(diào)節(jié)移相角的大小來調(diào)節(jié)輸出電壓。圖27 開關(guān)模態(tài)0時(shí)的工作狀態(tài)圖28 開關(guān)模態(tài)1時(shí)的工作狀態(tài) 圖29開關(guān)模態(tài)2時(shí)的工作狀態(tài)圖210開關(guān)模態(tài)3時(shí)的工作狀態(tài)圖211 開關(guān)模態(tài)4時(shí)的工作狀態(tài)圖212 開關(guān)模態(tài)5時(shí)的工作狀態(tài)圖213開關(guān)模態(tài)6時(shí)的工作狀態(tài)在一個(gè)開關(guān)周期中，移相控制ZVS PWM DC/DC全橋變換器有12種開關(guān)狀態(tài)。各開關(guān)狀態(tài)的工作情況描述如下：(1) 開關(guān)模態(tài)0在時(shí)刻之前，開關(guān)管和維持導(dǎo)通，和截止，相當(dāng)于電源電壓直接加在變壓器原邊對(duì)其進(jìn)行充電，電網(wǎng)的能量不斷轉(zhuǎn)化為磁能儲(chǔ)存于電感線圈和送到負(fù)載，表現(xiàn)為原副邊電流的不斷增大。這時(shí)副邊電流回路是：副邊繞組的正端，經(jīng)整流管，輸出濾波電感，輸出濾波電容與負(fù)載，回到副邊繞組的負(fù)端。在此時(shí)間段內(nèi)： (21)可得： (22)由于 n為變壓器原副邊匝數(shù)之比，上式可以簡化為： (23)(2)開關(guān)模態(tài)1，在時(shí)刻關(guān)斷，原邊電流從中轉(zhuǎn)移到和支路中，給充電，同時(shí)放電。這段時(shí)間內(nèi)諧振電感和濾波電感是串聯(lián)的，而且很大，因此可以認(rèn)為原邊電流近似不變，類似一個(gè)恒流源。此時(shí)對(duì)電路有： (24)即： (25) (26)在時(shí)刻，的電壓上升到，的電壓下降到零，的反并聯(lián)二極管自然導(dǎo)通。此模態(tài)經(jīng)歷的時(shí)間為： (27)Q1和Q3之間的導(dǎo)通延遲時(shí)間，即 (28)(3) 開關(guān)模態(tài)2，開通后,開通。由于是在導(dǎo)通時(shí)開通，所以是零電壓開通。在這段時(shí)間里，原邊等于折算得到副邊的濾波電感電流。(4) 開關(guān)模態(tài)3，時(shí)關(guān)斷。由于和的存在，是零電壓關(guān)斷。這段時(shí)間里實(shí)際上諧振電感和、在諧振工作。原副邊的電流回路如圖210所示：這段時(shí)間里實(shí)際上諧振電感和、在諧振工作。雖然此時(shí)已經(jīng)開通，但不流過電流，原邊電流從流通。由于副邊兩個(gè)整流管同時(shí)導(dǎo)通，因此變壓器副邊繞組的電壓為零，原邊繞組電壓也為零，這樣電源電壓V1加在諧振電感的兩端，原邊電流線性下降。從而結(jié)束這一時(shí)間段。(6) 開關(guān)模態(tài)5，原邊電流由正值過零，并且向負(fù)方向增加，此時(shí)，為原邊電流提供通路。原副邊的電流回路如圖212所示?；芈贩匠虨椋? (217)解得 (218)到t5時(shí)刻，原邊電流達(dá)到折算到原邊的負(fù)載電流值時(shí)，該開關(guān)模態(tài)結(jié)束。在時(shí)刻，關(guān)斷，移相全橋變換器開始另半個(gè)周期的工作，其工作過程類似于上述的半個(gè)周期。一般建立DC/ DC 變換器的小信號(hào)模型的方法是狀態(tài)空間平均法，但對(duì)于移相全橋PWM DC/DC變換器來說，用狀態(tài)空間平均法建模是一項(xiàng)十分復(fù)雜的工作。根據(jù)移相全橋PWM DC/DC 變換器源于BUCK 變換器的事實(shí)，從電路工作的描述中可以看出變壓器副邊的有效占空比，不僅依靠變壓器原邊電壓的占空比而且依靠輸出濾波電感電流，漏感，輸入電壓和開關(guān)頻率，所以移相全橋變換器小信號(hào)傳遞函數(shù)也將取決于漏感，開關(guān)頻率，濾波電感電流擾動(dòng)，輸入電壓擾動(dòng)，與變壓器原邊占空比擾動(dòng)等因素。這些影響可以加入到PWM BUCK 變換器的小信號(hào)電路模型中，從而獲得移相全橋PWM 變換器的小信號(hào)模型。下面通過式(219)來分析對(duì)產(chǎn)生影響的因素。(2) 濾波電感電流擾動(dòng)對(duì)的影響 (222)這里，負(fù)號(hào)表示在原邊占空比保持不變的情況下，如果濾波電感電流增加，將減小，從而降低輸出電壓，這種影響等效于一個(gè)電流負(fù)反饋?zhàn)饔谩? (225),的作用由兩個(gè)受控源來表示，的作用由兩個(gè)獨(dú)立源來表示。移相全橋變換器小信號(hào)模型中顯示BUCK 變換器模型是移相PWM 模型的特例。(1)輸出濾波器的傳遞函數(shù)為： (225)設(shè)，則輸出濾波器的輸入阻抗為： (226)輸出濾波器的輸出阻抗為： (227)(2)控制對(duì)輸出電壓的傳遞函數(shù)：當(dāng)不考慮輸入電壓變化量時(shí)，即時(shí)， (228)則由公式（225）可導(dǎo)出： (229)上式即為移相全當(dāng)橋ZVS 變換器的輸出電壓對(duì)輸入占空比的傳遞函數(shù)。變換器負(fù)載的傳遞函數(shù)為 (231)本章首先介紹了移相全橋變換器的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制策略，并分析了其實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)的工作過程。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 主電路拓?fù)溥x擇主電路拓?fù)溥x擇副邊利用簡單輔助電路的箝位的FBZVZCSPWM變換器變壓器副邊接為雙極性輸出，兩路輸出的工作情況相似，一般只分析一路的情況。該方案不含飽和電感，輔助開關(guān)，不產(chǎn)生大的環(huán)流，沒有額外的箝位電路，這是因?yàn)椋边呎麟妷罕惑槲挥隗槲浑娙蓦妷号c輸出電壓之和（抑制二極管上的電壓尖峰）。425V，Po=10000W，=90%，fs=20kHz，輸出電壓穩(wěn)定度：177。為了在任意輸出電壓時(shí)能夠輸出所要求的電壓，變壓器的變比應(yīng)按最低輸入電壓Vin(min)選擇。選擇副變得最大占空比為D(max)，則可計(jì)算出副邊電壓最小值Vsec(min)為： (35)故變比K是： (36)即。(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(ccm)是保持濾波電感可以按下式計(jì)算 (37)考慮留有一定的余量，取。式中的單位是法拉第(F)，與計(jì)算輸出濾波電感同樣的道理，所以取留有一定的余量，取20μF。 主電路仿真分析 MATLAB簡介MATLAB是一種科學(xué)計(jì)算軟件。由于它使用方便、輸入便捷、運(yùn)算高效、適應(yīng)科技人員的思維方式，并且有繪圖功能，有用戶自行擴(kuò)展的空間，因此特別受到用戶的歡迎，使它成為在科技界廣為使用的軟件，也是國內(nèi)外高校教學(xué)和科學(xué)研究的常用軟件。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。在 SIMULINK 環(huán)境下用電力系統(tǒng)模塊庫的模塊，可以方便地進(jìn)行 RLC 電路、電力電子電路、電機(jī)控制系統(tǒng)和電力系統(tǒng)的仿真。 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。依據(jù)之前計(jì)算所得的系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置器件參數(shù)，并設(shè)置軟件的仿真參數(shù)。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程并進(jìn)一步優(yōu)化電路的結(jié)構(gòu)和參數(shù)。由仿真波形可知，當(dāng)輸入電壓為穩(wěn)定的直流電壓時(shí)，輸出的電壓能基本穩(wěn)定在要求的電壓值，但是存在超調(diào)量很大，調(diào)整時(shí)間過長的問題，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和快速性都不能令人滿意。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 (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。(2)死區(qū)時(shí)間的設(shè)置 為了防止同一橋臂的兩個(gè)開關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通，兩個(gè)開管關(guān)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)之間要有一個(gè)死區(qū)設(shè)置且應(yīng)滿足： (52)其中C1=C2=300pF，Vinm=300V，Io=P/Vo=5000/425=，K=3，代入上式，得到死區(qū)時(shí)間大于46ns。 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。由于該器件設(shè)計(jì)巧妙，構(gòu)成電路所需外圍元件較少，是一種應(yīng)用前景較好的控制芯片。圖41 UC3875芯片的管腳示意圖圖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。當(dāng)VIN比較低時(shí)，芯片進(jìn)入欠壓鎖定狀態(tài)VREF消失。相移。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)E/A（－）端的輸出電源電壓。輸出被關(guān)斷，軟起動(dòng)復(fù)位，該引腳可實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)。管腳15為輸出延遲控制端，通過設(shè)置該引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(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10為電源電壓端，該引腳提供輸出級(jí)所需電源，Vcc通常接3V以上電源，最佳為12V。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。該引腳應(yīng)接一旁路電容到信號(hào)地。如果接一旁路電容，它就很快脫離欠壓鎖定狀態(tài)。其它相關(guān)的阻容網(wǎng)絡(luò)與之并聯(lián)，電源地和信號(hào)地應(yīng)一點(diǎn)接地以降低噪聲和直流降落。最簡單的用法是：具有不同振蕩頻率的多個(gè)UC3875可通過連接其同步端，使它們同步工作于最高頻率。管腳18為陡度端，該腳接一個(gè)電阻Rs將產(chǎn)生電流以形成斜波，連接這個(gè)電阻到輸入電壓將提供電壓反饋。管腳20為信號(hào)地端，GND是所有電壓的參考基準(zhǔn)。功能實(shí)現(xiàn)UC3875主要包括以下九個(gè)方面的功能：工作電源、基準(zhǔn)電源、振蕩器、鋸齒波、誤差放大器和軟起動(dòng)、移相控制信號(hào)發(fā)生電路、過流保護(hù)、死區(qū)時(shí)間設(shè)置、輸出級(jí)。(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)。通常為使芯片更好地工作，減少噪音干擾和直流壓降，將Vin和Vcc接至同一個(gè)直流電源。(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