張友榮 錢(qián)亮 胡亮

(1.空軍雷達(dá)學(xué)院黃陂校區(qū)，湖北武漢 430345;2.空軍雷達(dá)學(xué)院研管大隊(duì)，湖北武漢 430019)

0 引言

移相全橋結(jié)構(gòu)是目前國(guó)內(nèi)使用最廣泛的DC/DC變換器的結(jié)構(gòu)之一［1］，為了減小變換器的體積和重量，我們只有提高開(kāi)關(guān)頻率，而頻率提高的同時(shí)也帶來(lái)了損耗增加的問(wèn)題，為了解決這個(gè)問(wèn)題就必須實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)。

目前為了解決這個(gè)問(wèn)題，提出了很多方案。如原邊使用飽和電感的ZVZCS電路，效果不是很理想［2］;使用無(wú)源無(wú)損網(wǎng)絡(luò)副邊箝位ZVZCS電路會(huì)引起很大的尖峰電流［3］;變壓器初級(jí)串入隔直電容和飽和電感ZVZCS電路由于發(fā)熱量大而無(wú)法在工程中實(shí)際應(yīng)用［4］;采用有源箝位 ZVZCS電路存在環(huán)流，損耗大等問(wèn)題［5］。文中通過(guò)在滯后臂并聯(lián)一個(gè)由電感和電容組成輔助網(wǎng)絡(luò)來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。

1 移相全橋變換器的結(jié)構(gòu)

采用新型DC/DC變換器的原理框圖如圖1所示，電網(wǎng)電壓EMI濾波器后經(jīng)過(guò)變壓器降壓，再整流為直流電，輸入濾波電感和電容除了起濾波的作用外，還可以提高功率因子。直流電壓經(jīng)過(guò)新型的DC/DC變換器變換成需求的直流電壓，控制電路采用集成芯片UC3879來(lái)實(shí)現(xiàn)控制，其中設(shè)計(jì)fs=20kHz，使電壓按照要求穩(wěn)定在48V。保護(hù)電路中設(shè)計(jì)了Vin的過(guò)、欠壓保護(hù)，V0過(guò)壓保護(hù)，防止同一橋臂直通保護(hù)，開(kāi)關(guān)管過(guò)流保護(hù)，過(guò)熱保護(hù)。

圖1 新型軟開(kāi)關(guān)DC/DC變換器的原理框圖

2 新型軟開(kāi)關(guān)DC/DC移相全橋變換器工作原理

圖2給出了新型軟開(kāi)關(guān)DC/DC移相全橋變換器的電路圖，輔助網(wǎng)絡(luò) Ca1、Ca2、La并接在全橋網(wǎng)絡(luò)上。通過(guò) CS1、CS2、DS1、DS2和變壓器的漏感來(lái)實(shí)現(xiàn)超前橋臂S1和S2的軟開(kāi)關(guān)。通過(guò)輔助網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)滯后橋臂S3和S4的軟開(kāi)關(guān)。

圖2 新型軟開(kāi)關(guān)DC/DC移相全橋變換器的電路圖

圖3給出了新型軟開(kāi)關(guān)DC/DC移相全橋變換器一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)的工作波形，S1和 S2通過(guò) CS1、CS2、DS1、DS2和變壓器的漏感來(lái)實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)［1］。t2時(shí)刻，變壓器T2次級(jí)截止，變壓器T1將原邊電流ipri與T1的勵(lì)磁電流im1之差轉(zhuǎn)換到次級(jí)，通過(guò)Do1分別給Co1充電，給Co2放電。輕載時(shí)，初級(jí)電流ipri在t3時(shí)刻時(shí)仍小于零，輔助電感電流iLa仍處于續(xù)流狀態(tài)，流過(guò)S3和Da1?？梢詫?shí)現(xiàn)S3的ZVS，重載時(shí)由于流過(guò)Do1、Do2的電流iDo1、iDo2隨負(fù)載的增大而增大，作用到串聯(lián)變壓器原邊漏感L1kg上的電壓也隨之變大，使得原邊電流ipri在通過(guò)S1、S3環(huán)流期間更迅速減小，在S3關(guān)斷前ipri已經(jīng)減小到零并反向增加，通過(guò)S3的反并聯(lián)二極管DS3續(xù)流，使S3在t3時(shí)刻得以實(shí)現(xiàn)零電流關(guān)斷(ZCS)。t3時(shí)刻S3關(guān)斷時(shí)，初級(jí)主回路電流ipri仍小于零，沒(méi)有反向。S3在t3時(shí)刻關(guān)斷后，ipri和 iLa從 S3逐漸轉(zhuǎn)移到 CS3、CS4，CS3充電，CS4放電。t4時(shí)刻前，CS3充電到VCS3=Vin，VCS4放電到零，S4在t4時(shí)刻實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)通。

圖3 變換器一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)的工作波形

3 電路參數(shù)的設(shè)計(jì)

3.1 主要功率器件的選擇

采用新型軟開(kāi)關(guān)DC/DC移相全橋變換器制作了一臺(tái)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)單相交流輸入，有效值波動(dòng)范圍:，即176 V～253 V;頻率:45 Hz～65 Hz。輸出電壓:額定值48V，浮充電壓52.8V，均充電壓57.6V，輸出電流:額定值6.25A;具有輸入過(guò)壓/欠壓保護(hù)、輸出過(guò)壓保護(hù)、過(guò)流保護(hù)，開(kāi)關(guān)管1MBH60D(帶寄生二極管);功率二極管HFA25TB60。

3.2 UC3879控制電路的設(shè)計(jì)

選用移相控制芯片UC3879作為控制芯片。UC3879的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)文獻(xiàn)6，其主要工作設(shè)計(jì)特點(diǎn)如下:

(1)可以實(shí)現(xiàn)0%－100%的占空比控制

(2)可以設(shè)置死區(qū)

(3)可以進(jìn)行自保護(hù)

(4)欠電壓鎖定

(5)啟動(dòng)電流低

(6)軟啟動(dòng)控制

(7)應(yīng)用范圍廣

3.2.1 UC3879 外圍電路的設(shè)計(jì)

UC=Uin=U(UVSEL)=15V，設(shè)置fs=20kHz。RT腳和地之間的電阻決定定時(shí)電容的充電電流，而放電電流被內(nèi)部固定在10mA固此。與IC的CLKSYNC腳輸出信號(hào)占空比相符合的振蕩器的占空比Dlin如下

接在CT腳和地之間的定時(shí)電容與Dlin和RT，有如下關(guān)系

在實(shí)際電路中，CT比RT較難確定。我們?nèi)T=2.2nF。我們可以依據(jù)式(1)、(2)得到

可以得到RT=21K，在實(shí)際電路中可以用一個(gè)50K的滑動(dòng)變阻器代替。

3.2.2 死區(qū)電路

OUTA和OUTB、OUTC和OUTD之間的死區(qū)由兩方面來(lái)確定:① 橋臂的令開(kāi)關(guān)時(shí)間;② 由受初級(jí)最大的占空比限制。tdelay可以由以下公式計(jì)算

Udelay是延遲設(shè)定腳電壓(一般都是2.5V)，Rdelay是DELAYAB和DELAYC－D與地之間的電阻值。由以上分析可以得到DELAYA-B引腳的電阻值為50K。滯后臂死區(qū)時(shí)間由接在DELAYC-D引腳的電阻來(lái)決定，確定電阻值為20K。

3.2.3 電壓回饋環(huán)節(jié)

電壓調(diào)節(jié)器是利用UC3879內(nèi)的誤差放大器進(jìn)行的，該誤差放大器的同相輸入端在芯片內(nèi)固定為2.5V。作為電壓給定信號(hào)，輸出電壓送到誤差放大器的反相端。電阻跨接在反相端主要起一個(gè)調(diào)解電壓的作用。

3.2.4 保護(hù)電路

為了使開(kāi)關(guān)管電流過(guò)大，通過(guò)電壓互感器將信號(hào)引入CS引腳起保護(hù)作用，其它的也是類似。

3.2.5 軟啟動(dòng)

為了保證有充足的軟啟動(dòng)時(shí)間，在SS引腳接入3.3μF的電容，VREF引腳使高精確度的5V電壓基準(zhǔn)信號(hào)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文參數(shù)設(shè)計(jì)要求:輸出直流電壓Uin=48V，變壓器原、副邊的變比K=3，變壓器漏感L1kg=40μH，變壓器等效電感 Lm=500μH，超前、滯后橋臂并聯(lián)電容Cs1=Cs2=Cs3=Cs4=1nF，輔助網(wǎng)絡(luò)電容Ca1=Ca2=1nF，輔助網(wǎng)絡(luò)電感La=300μH，輸出箝位電容Co1=Co2=6μF，輸出濾波電容Co=1mF，開(kāi)關(guān)管1MBH60D(帶寄生二極管)，功率二極管HFA25TB60，開(kāi)關(guān)頻率fs=20kHz。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5(a)為開(kāi)關(guān)管S1、S3驅(qū)動(dòng)波形。S1、S4為斜對(duì)角兩個(gè)開(kāi)關(guān)管，其中開(kāi)關(guān)管S1相位超前開(kāi)關(guān)管S4，之間相差一個(gè)移相角，相移5μs;圖5(b)是開(kāi)關(guān)管S1的驅(qū)動(dòng)及管壓降波形說(shuō)明其實(shí)現(xiàn)了軟開(kāi)關(guān);圖5(c)是帶輔助網(wǎng)絡(luò)75%全負(fù)載時(shí)，滯后橋臂開(kāi)關(guān)管S3管壓降和驅(qū)動(dòng)波形?？梢?jiàn)S3開(kāi)通之前，其管壓降Vds已降為零，能夠較好的實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)通。圖5(d)為全負(fù)載，也即重載情況下，開(kāi)關(guān)管S3驅(qū)動(dòng)波形和變壓器初級(jí)電流波形。由于實(shí)驗(yàn)中流過(guò)開(kāi)關(guān)管S3不便測(cè)量，這里通過(guò)和變壓器初級(jí)電流比較來(lái)分析開(kāi)關(guān)管S3的零電流關(guān)斷情況。由圖可見(jiàn)，在S3關(guān)斷之前，ipri已經(jīng)反向，通過(guò)與S3的反并聯(lián)二極管DS3流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了S3的零電流關(guān)斷。從圖5(e)圖中可以看出，輔助電容在開(kāi)關(guān)管S3和S4開(kāi)關(guān)過(guò)程中電壓為 Vin，不參與工作。圖6給出了效率實(shí)驗(yàn)的對(duì)比曲線可以看出，該實(shí)驗(yàn)電路的最高效率為94.4%，滿負(fù)載時(shí)效率為93.2%。

圖6 功率變換器的效率圖

5 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)表明，新型軟開(kāi)關(guān)DC/DC移相全橋變換器，能既能在較寬的負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)滯后橋臂的ZVS，也能快速降低環(huán)流電流，從而顯著地減小變換器的環(huán)流損耗和開(kāi)關(guān)損耗，提高變換器的工作效率。采用移相控制器UC3879，使該電源模塊控制簡(jiǎn)單、方便、外圍組件少，且具有軟啟動(dòng)和逐周限流的功能。

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