電流模式控制倍流整流器ZVS PWM全橋DC-DC變換器的研究

Q₁關(guān)斷后，D₂ 和D₃將導(dǎo)通，這時(shí)候就可以給Q₂和Q₃以開通觸發(fā)信號了，當(dāng)電流反向后，Q₂，Q₃導(dǎo)通，能量再次從原邊傳遞到副邊，于是Q₂，Q₃都是零電壓開通。

由于對稱性，剩下的半個(gè)周期的工作狀況與以上完全相同。

由此可以得到負(fù)載端輸出電壓：

注意它與一般的全波整流電路之間的1/2倍的關(guān)系。

由工作原理可以得到如下結(jié)論：

(1). 超前臂開關(guān)管和滯后臂開關(guān)管的ZVS都利用了次級輸出濾波電感的能量來實(shí)現(xiàn)，因此串聯(lián)在原邊的電感值可以大大減?。ㄉ踔量梢圆恍枰?lián)電感，只用變壓器的原邊漏感）。

(2). 軟開關(guān)實(shí)現(xiàn)時(shí)能量由副邊電感和原邊電感共同提供，因此可以在較寬的負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)ZVS。

(3). 超前臂開關(guān)管和滯后臂開關(guān)管實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)ZVS的條件沒有基本型電路苛刻，并且由于副邊電感的影響，它們之間的軟開關(guān)實(shí)現(xiàn)條件的差異較之基本型電路大大減小。

3、變換器控制電路設(shè)計(jì)

該控制系統(tǒng)通過采集原邊母線電流、副邊側(cè)輸出電壓來構(gòu)成兩個(gè)控制閉環(huán)：電流內(nèi)環(huán)和電壓外環(huán)，原理框圖如下圖3-1所示。UCC3895是美國TI公司生產(chǎn)的一種高性能電流/電壓移相PWM控制器。它是UC3875(79)的改進(jìn)型；它最適合于移相全橋電路，同時(shí)配合零電壓開關(guān)工作以實(shí)現(xiàn)在高頻時(shí)的局部軟開關(guān)性能。它除了具有UC3875(79)的功能外，最大的改進(jìn)是增加了自適應(yīng)死區(qū)設(shè)置，以適應(yīng)負(fù)載變化時(shí)不同的準(zhǔn)諧振軟開關(guān)要求。同時(shí)由于它采用了BCDMOS工藝，使得它的功耗更小，工作頻率更高。

從原理框圖可以清楚的看出：原邊母線電流通過電流互感器隔離采集得到，該信號再通過濾波以及斜坡補(bǔ)償電路后得到電流控制信號；而輸出電壓信號經(jīng)過TL431調(diào)節(jié)后經(jīng)過光耦隔離，再與設(shè)定電壓參考值比較得到電壓控制信號。電流和電壓控制信號輸入移相PWM控制器UCC3895后經(jīng)由芯片內(nèi)部比較器以及脈沖產(chǎn)生電路得到四路PWM控制信號,但是有一點(diǎn)必須注意，那就是UCC3895的驅(qū)動(dòng)能力很弱，所以必須將這些控制信號加以功率放大并隔離，然后才能驅(qū)動(dòng)主電路的兩個(gè)橋臂中的開關(guān)管。其中，采用母線電流的好處是它能反映同一橋臂上下開關(guān)管的貫通情況，從而為開關(guān)管的保護(hù)電路提供一定的依據(jù)。另外，該方案成功與否的關(guān)鍵就是斜坡補(bǔ)償電路以及隔離驅(qū)動(dòng)電路

4、實(shí)用電路分析

圖4-1所示為實(shí)際采用的主電路圖，其中濾波和EMI部分主要簡單考慮了串模和共模干擾的處理。整流橋最大流過電流10A，并加一保險(xiǎn)絲防止大的事故出現(xiàn)。R₁和R₂組成直流母線電壓檢測分壓器，得到的電壓信號經(jīng)過控制和邏輯電路后，一路直接給母線軟起動(dòng)電路的固體繼電器SSR，另外一路給控制芯片的軟起動(dòng)控制電路SS（Soft Start）部分來控制UCC3895的軟起動(dòng)，并且這兩路軟起動(dòng)之間的延遲時(shí)間是可通過電路參數(shù)調(diào)節(jié)的。C₅和C₆都是電解電容，其值2200uF。CS是母線電流互感器，通過檢測母線電流信號，再與芯片內(nèi)部振蕩器輸出的Ct端電壓信號通過一定比例的疊加，可以得到斜坡補(bǔ)償?shù)碾娏餍盘枺煌瑫r(shí)該電流檢測電路還能起到逐個(gè)脈沖（Pulse by Pulse）的過流保護(hù)功能，并可以防止同一橋臂上下管同時(shí)導(dǎo)通。C_h是高頻無感電容，大小為0.033uF, 由于電路的工作頻率較高，所以在電路的設(shè)計(jì)中將它盡可能的靠近電流互感器和地連接。Q₁－Q₄ 為主開關(guān)管，圖中其并聯(lián)二極管是其內(nèi)部等效表示，電容可以是外接電容。Ls是諧振電感，其值10uH，Tr是主變壓器，變比為1:1, D_S1,D_S2, L_f1, L_f2組成倍流整流器的副邊。C₇, C₈是電解電容，它們的大小皆為2200uF, C₉為高頻無感電容大小為1uF 。

250V直流電壓輸入時(shí)(其中負(fù)載電阻為10.7Ω，電路工作頻率均為100KHz。)：軟開捅時(shí)開關(guān)管G、E兩端電壓（波形1）和C、E兩端電壓（波形2）波形

由以上兩圖(a)和(b)可以看出：在開關(guān)管C、E兩端電壓降為零（反并聯(lián)二極管在此之前導(dǎo)通）之后100-200ns柵極驅(qū)動(dòng)電壓才上升到柵平臺(tái)值（6V左右），此時(shí)開關(guān)管才開始導(dǎo)通，所以它們是零電壓開通的。同時(shí)注意：超前橋臂和滯后橋臂的軟開通有一定差別，具體說來就是超前臂比較容易實(shí)現(xiàn)軟開通一些，所以在相同條件下它的軟開通效果較為明顯。

5、結(jié)語

該電路設(shè)計(jì)方案是切實(shí)可行的，它結(jié)合了電流模式控制、移相PWM控制、倍流整流器電路、最新驅(qū)動(dòng)芯片以及專門設(shè)計(jì)的開關(guān)器件的一些優(yōu)點(diǎn)：

(1). 從實(shí)驗(yàn)波形來看，變換器的超前與滯后橋臂開關(guān)器件均能很好的實(shí)現(xiàn)零電壓軟開關(guān)，并且零電壓軟開關(guān)的實(shí)現(xiàn)條件以及兩個(gè)橋臂軟開關(guān)的差異也比基本型電路小。除此之外，采用倍流整流器電路后，變換器的設(shè)計(jì)也更加簡單化：比如主變壓器的副邊只需要單一繞組，而不是像全波整流那樣需要引入中心抽頭；而且副邊電感量的大幅減小也使得電感的設(shè)計(jì)更加方便。

(2). 采用電流模式控制能帶來一系列的好處。比如在防止變壓器磁芯飽和方面、能夠很簡單的提供逐脈沖限流控制以及保證倍流整流器副邊電感電流的平衡方面，它都有著電壓模式控制無法比擬的優(yōu)點(diǎn)。

(3). 高速大電流驅(qū)動(dòng)芯片使得驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)更加簡單可靠。