ZVT－PWM移相軟開(kāi)關(guān)通信基礎(chǔ)--電源模塊的設(shè)計(jì)

摘要：簡(jiǎn)單介紹ZVT—PWM移相軟開(kāi)關(guān)變換電路的原理及特點(diǎn)，研究采用移相全橋ZVT－PWM軟開(kāi)關(guān)變換電路的設(shè)計(jì)方法，并給出通信基礎(chǔ)開(kāi)關(guān)電源整流模塊的設(shè)計(jì)實(shí)例及試驗(yàn)結(jié)果。

關(guān)鍵詞：開(kāi)關(guān)電源脈寬調(diào)制移相全橋ZVT軟開(kāi)關(guān)通信電源IGBT

Design on the Communication Basic Power Supplies Module Controlled

by Phase Shifted－ type ZVT－ PWM Soft－ switch Technique

Abstract:This paper analyses the principle and characteristic of the ZVT soft－ switch type converter.The design method on the ZVT soft－ switch type power supplies is researched.As a example,the switch－ type power supplies used in communication and it's test result are given.

Keywords:Switch－ type power supplies PWM Phase shifted full bridge ZVT－ soft－ switch Communication power supplies IGBT

1引言

　　隨著電力電子器件從晶閘管（SCR）到大功率晶體管（GTR），再發(fā)展到VMOSFET和IGBT等，功率變換技術(shù)也經(jīng)歷了從負(fù)載諧振變換到硬開(kāi)關(guān)PWM，再到雙零開(kāi)關(guān)和雙零變換的發(fā)展過(guò)程。雙零變換技術(shù)包括零電壓變換（ZVT）和零電流變換（ZCT）兩種，它們的基本工作原理是采用輔助開(kāi)關(guān)管與諧振電路共同配合主開(kāi)關(guān)管工作，使其分別實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)關(guān)（ZVS）或零電流開(kāi)關(guān)（ZCS），是真正意義上的定頻軟開(kāi)關(guān)PWM變換，具有定頻PWM變換和軟開(kāi)關(guān)變換的共同優(yōu)點(diǎn)，所以雙零變換技術(shù)是功率變換技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)之一。

2移相全橋ZVT軟開(kāi)關(guān)變換技術(shù)

　　雙零變換技術(shù)中，ZVT變換技術(shù)應(yīng)用比較普遍，主要用于高頻有源PFC和DC/DC變換電路。ZVT變換的基本工作原理是輔助開(kāi)關(guān)管與諧振電路共同工作，使主開(kāi)關(guān)管實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)關(guān)。

　　ZVT變換技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)有：

　?。?）定頻PWM變換，與以調(diào)頻形式工作的ZVS變換相比，變壓器和濾波電抗器的設(shè)計(jì)比較容易，利用率也比較高；

　?。?）在主開(kāi)關(guān)管開(kāi)通和關(guān)斷的過(guò)程中，采用部分諧振技術(shù)，實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)變換，大大降低了開(kāi)關(guān)損耗，提高了工作效率；

　?。?）主開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)流過(guò)的電流和關(guān)斷時(shí)承受的電壓與硬開(kāi)關(guān)PWM變換相近，比雙零開(kāi)關(guān)變換成本低，可靠性高；

　?。?）軟開(kāi)關(guān)變換，電磁干擾（EMI）小。

圖1移相全橋變換電路

　　ZVT變換技術(shù)典型的應(yīng)用是移相控制的全橋式變換電路，其基本電路如圖1所示。

　　VDA、VDB、VDC、VDD分別是開(kāi)關(guān)管VA、VB、VC、VD（這里以IGBT為例）的等效反并聯(lián)體二極管；CA、CB、CC、CD分別是VA、VB、VC、VD的等效輸出電容（結(jié)電容）；L1為一次側(cè)電路引線電感LX、變壓器一次側(cè)繞組漏感LL和外加電感L之和，即

圖2移相PWM控制波形

L1=LX＋LL＋L（1）

　　開(kāi)關(guān)管采用移相式PWM控制方式，控制波形見(jiàn)圖2。

　　由此可見(jiàn)，移相全橋變換電路四個(gè)開(kāi)關(guān)管既為主開(kāi)關(guān)管，又互為輔助開(kāi)關(guān)管，既不增加開(kāi)關(guān)管數(shù)量，又吸收了分布參數(shù)作諧振電路參數(shù)，實(shí)現(xiàn)零電壓轉(zhuǎn)換[1]。

3ZVT軟開(kāi)關(guān)變換電路中的應(yīng)用設(shè)計(jì)

　　移相全橋ZVT軟開(kāi)關(guān)變換電路可以用于設(shè)計(jì)許多類(lèi)型的開(kāi)關(guān)電源變換裝置，設(shè)計(jì)方法和過(guò)程都是相似的。由于主電路確定為全橋式逆變電路，集成控制芯片一般選UCX875～79或者M(jìn)L4148，所以最主要的設(shè)計(jì)內(nèi)容歸結(jié)為兩點(diǎn)：一是根據(jù)散熱平衡優(yōu)化設(shè)計(jì)ZVT軟開(kāi)關(guān)變換諧振參數(shù)，二是控制系統(tǒng)的環(huán)路設(shè)計(jì)。

3．1ZVT軟開(kāi)關(guān)變換諧振參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

　　主電路諧振電感量L1是決定能否實(shí)現(xiàn)零電壓轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵。L1太小，在負(fù)載較小時(shí)，雖然超前橋臂開(kāi)關(guān)管比較容易實(shí)現(xiàn)ZVT，但是由于環(huán)流不能維持到滯后橋臂開(kāi)關(guān)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換時(shí)刻，使滯后橋臂不能實(shí)現(xiàn)ZVT[1]。但是，L1過(guò)大，會(huì)限制最大占空比，并會(huì)降低功率因數(shù)。負(fù)載很輕時(shí)，電流不太大，即使是硬開(kāi)關(guān)狀態(tài)，開(kāi)關(guān)損耗也不會(huì)太大。另外，開(kāi)關(guān)管的通態(tài)損耗也隨電流的變化而變化，對(duì)于IGBT管，管壓降為UCES，應(yīng)按照滿(mǎn)載時(shí)設(shè)計(jì)散熱條件。因此，使滯后橋臂實(shí)現(xiàn)ZVT的最小負(fù)載電流優(yōu)化的原則應(yīng)該是：當(dāng)電流下降到αIOE時(shí)，滯后橋臂上兩只開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)損耗的增加量Pon－offr等于所有四只開(kāi)關(guān)管的通態(tài)損耗的減少量PONf，不變的散熱條件，使得開(kāi)關(guān)管的結(jié)溫仍然保持原來(lái)的水平，由文獻(xiàn)[2]可知，Pon－offr和PONf可以分別由式（2）和式（3）求出，所以α可以由式（4）求出：

Pon－offr=αIOEUd(ton＋toff)fS(2)

PONf=4δ(1－α)IOEUCESat(3)(4)

式中：ton——IGBT的開(kāi)通時(shí)間，toff——IGBT的關(guān)斷時(shí)間；fS——逆變電路的開(kāi)關(guān)頻率；UCESat——IGBT的導(dǎo)通壓降。

　　根據(jù)下式和式（1）可以求出外加電感量L：(Lm＋L1)·(αIOE/n)2/2>（4CS/3＋Ct/2）(5)

式中:Lm——變壓器一次側(cè)勵(lì)磁電感，n——變壓器變比，CS——開(kāi)關(guān)管輸出電容；Ct——變壓器一次側(cè)繞組電容。