電流模式控制倍流整流器ZVSPWM全橋DC-DC變換器的研究

1、電流模式控制倍流整流器ZVS PWM全橋DC-DC變換器的研究        摘要：本文研究一種新型的高頻DC-DC開關(guān)功率變換器。它采用電流模式移相PWM控制，在較大的負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了開關(guān)器件的零電壓軟開關(guān)（ZVS）。論文最后給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果和兩個(gè)主要波形，并做出了詳細(xì)的說明。關(guān)鍵詞：DC-DC變換器，電流模式控制，移相PWM控制，零電壓軟開關(guān)（ZVS），倍流整流器（CDR）1、引言     傳統(tǒng)的PWM DC/DC 移相全橋零電壓軟開關(guān)（ZVS）變換器利用變壓器的漏感或/和

2、原邊串聯(lián)電感和開關(guān)管的外接或/和寄生電容之間的諧振來實(shí)現(xiàn)零電壓軟開關(guān)，由于超前橋臂和滯后橋臂實(shí)現(xiàn)零電壓軟開關(guān)ZVS的條件不盡相同，導(dǎo)致了滯后橋臂實(shí)現(xiàn)零電壓軟開關(guān)ZVS的難度比超前橋臂要大得多；輸出整流二極管換流時(shí)關(guān)斷的二極管反向恢復(fù)會(huì)引起次級(jí)較大的電壓尖峰；并且還存在較為嚴(yán)重的副邊占空比丟失的情況。為了解決這些問題，以下提出了一種改進(jìn)型的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。2、改進(jìn)型移相全橋ZVS DC-DC變換器主電路改進(jìn)型移相全橋ZVS DC-DC變換器主電路結(jié)構(gòu)和各點(diǎn)波形對(duì)照如下圖2-1(a)和(b)所示： 容易看出改進(jìn)型的電路拓?fù)渑c基本型電路的主要差別在于副邊整流電路，該整流電路被稱為倍流整流器（Curre

3、nt-Doubler Rectifier，CDR），是目前應(yīng)用的熱點(diǎn)之一。下面首先介紹一下該整流電路。與全波整流相比，倍流整流器的高頻變壓器副邊繞組僅需一個(gè)單一繞組，不用中心抽頭。與橋式整流相比，倍流整流器使用的二極管數(shù)量少一半。所以說，倍流整流器是結(jié)合全波整流和橋式整流兩者優(yōu)點(diǎn)的新型整流器。當(dāng)然，倍流整流器要多使用一個(gè)輸出小濾波電感。但此電感的工作頻率及輸送電流均比全波整流器的要小一半，因此可做得較小，另外雙電感也更適合于分布式功率耗散的要求。以下我們來研究一下改變整流電路后變換器主電路的工作狀況有什么不同。由于電路工作狀態(tài)在一個(gè)周期內(nèi)可以分為兩個(gè)完全一樣的過程，所以以下僅僅分析半個(gè)周期的情

4、況，而這半個(gè)周期又可分為以下三種開關(guān)模態(tài)（對(duì)照上圖2-1所示）。(1). 開關(guān)模態(tài) 1： t0 < t < t1 其中t1=DTs/2此時(shí)Q1和Q4同時(shí)導(dǎo)通，變壓器副邊電感L1和整流管DS2 導(dǎo)通, 原邊能量向負(fù)載端傳遞。此模態(tài)的等效電路如下圖2-2： 其中，a為變壓器變比，Vin是直流母線電壓，I1和I2分別是電感L1和 L2電流（L1=L2=Ls），此時(shí)有如下等式成立： 當(dāng)Q4關(guān)斷時(shí)該模態(tài)過程結(jié)束。 (2).開關(guān)模態(tài) 2 ： t1 < t < t2 其中t2Ts/2 在t1時(shí)刻關(guān)斷Q4 ,此時(shí)副邊電感L1中儲(chǔ)存的能量給Q4電容（或并聯(lián)電容）充電同時(shí)將Q3兩端電容電荷

5、放掉。為了實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，Q4關(guān)斷和Q3開通之間至少要存在一死區(qū)時(shí)間t1, 使得在Q3開通前D3首先導(dǎo)通，且有等式： 成立。其中Ceff 是開關(guān)管漏源兩端等效電容，Ip1為 t1時(shí)刻變壓器原邊流過電流。當(dāng)D3導(dǎo)通后，變壓器副邊兩個(gè)二極管DS1 和DS2同時(shí)導(dǎo)通，電路工作在續(xù)流狀態(tài)。此時(shí)等效電路如下圖2-3所示： 此時(shí)有如下電路方程成立： 其中D為脈沖占空比，fS為電路工作頻率，L'ik為主邊變壓器漏感（或與外接電感的串聯(lián)值），rt是變壓器原邊等效電阻，是原邊等效電流衰減時(shí)間常數(shù)，Vfp是反并聯(lián)二極管導(dǎo)通壓降。 (3). 開關(guān)模態(tài)3： t2 < t < t3 其中t3=Ts/2

6、處于該模態(tài)時(shí)，電路原邊導(dǎo)通情況與以上的模態(tài)2一致。此時(shí)由于換流過程結(jié)束，DS2關(guān)斷。所以等效電路如下圖2-4所示： 此時(shí)有電路方程如下： 注意這時(shí)I1,I2與模態(tài)2相同，但是DS1中將流過全部的負(fù)載電流。當(dāng)Q1關(guān)斷時(shí)該模態(tài)結(jié)束。此時(shí)副邊電感L2中儲(chǔ)存的能量同時(shí)給開關(guān)管Q1和Q2 漏源端電容充電和放電。 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(hào)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(duì)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

7、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(jí)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小（甚至可以不需要串聯(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

8、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(hào)再通過濾波以及斜坡補(bǔ)償電路后得到電流控制信號(hào)；而輸出電壓信號(hào)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(hào)。電流和電壓控制信號(hào)輸入移相PWM控制器UCC3895后

9、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(hào),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(hào)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(hào)經(jīng)過控制和邏輯電路后，一路

10、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(hào)，再與芯片內(nèi)部振蕩器輸出的Ct端電壓信號(hào)通過一定比例的疊加，可以得到斜坡補(bǔ)償?shù)碾娏餍盘?hào)；同時(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。Ch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。

11、Q1Q4 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, DS1,DS2, Lf1, Lf2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10.7，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