張友榮 錢亮 胡亮

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

0 引言

移相全橋結構是目前國內(nèi)使用最廣泛的DC/DC變換器的結構之一［1］，為了減小變換器的體積和重量，我們只有提高開關頻率，而頻率提高的同時也帶來了損耗增加的問題，為了解決這個問題就必須實現(xiàn)軟開關。

目前為了解決這個問題，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］;使用無源無損網(wǎng)絡副邊箝位ZVZCS電路會引起很大的尖峰電流［3］;變壓器初級串入隔直電容和飽和電感ZVZCS電路由于發(fā)熱量大而無法在工程中實際應用［4］;采用有源箝位 ZVZCS電路存在環(huán)流，損耗大等問題［5］。文中通過在滯后臂并聯(lián)一個由電感和電容組成輔助網(wǎng)絡來解決這個問題。

1 移相全橋變換器的結構

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來實現(xiàn)控制，其中設計fs=20kHz，使電壓按照要求穩(wěn)定在48V。保護電路中設計了Vin的過、欠壓保護，V0過壓保護，防止同一橋臂直通保護，開關管過流保護，過熱保護。

圖1 新型軟開關DC/DC變換器的原理框圖

2 新型軟開關DC/DC移相全橋變換器工作原理

圖2給出了新型軟開關DC/DC移相全橋變換器的電路圖，輔助網(wǎng)絡 Ca1、Ca2、La并接在全橋網(wǎng)絡上。通過 CS1、CS2、DS1、DS2和變壓器的漏感來實現(xiàn)超前橋臂S1和S2的軟開關。通過輔助網(wǎng)絡來實現(xiàn)滯后橋臂S3和S4的軟開關。

圖2 新型軟開關DC/DC移相全橋變換器的電路圖

圖3給出了新型軟開關DC/DC移相全橋變換器一個開關周期內(nèi)的工作波形，S1和 S2通過 CS1、CS2、DS1、DS2和變壓器的漏感來實現(xiàn)軟開關［1］。t2時刻，變壓器T2次級截止，變壓器T1將原邊電流ipri與T1的勵磁電流im1之差轉換到次級，通過Do1分別給Co1充電，給Co2放電。輕載時，初級電流ipri在t3時刻時仍小于零，輔助電感電流iLa仍處于續(xù)流狀態(tài)，流過S3和Da1。可以實現(xiàn)S3的ZVS，重載時由于流過Do1、Do2的電流iDo1、iDo2隨負載的增大而增大，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S1、S3環(huán)流期間更迅速減小，在S3關斷前ipri已經(jīng)減小到零并反向增加，通過S3的反并聯(lián)二極管DS3續(xù)流，使S3在t3時刻得以實現(xiàn)零電流關斷(ZCS)。t3時刻S3關斷時，初級主回路電流ipri仍小于零，沒有反向。S3在t3時刻關斷后，ipri和 iLa從 S3逐漸轉移到 CS3、CS4，CS3充電，CS4放電。t4時刻前，CS3充電到VCS3=Vin，VCS4放電到零，S4在t4時刻實現(xiàn)零電壓開通。

圖3 變換器一個開關周期內(nèi)的工作波形

3 電路參數(shù)的設計

3.1 主要功率器件的選擇

采用新型軟開關DC/DC移相全橋變換器制作了一臺實驗樣機單相交流輸入，有效值波動范圍:，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;具有輸入過壓/欠壓保護、輸出過壓保護、過流保護，開關管1MBH60D(帶寄生二極管);功率二極管HFA25TB60。

3.2 UC3879控制電路的設計

選用移相控制芯片UC3879作為控制芯片。UC3879的內(nèi)部結構圖見文獻6，其主要工作設計特點如下:

(1)可以實現(xiàn)0%－100%的占空比控制

(2)可以設置死區(qū)

(3)可以進行自保護

(4)欠電壓鎖定

(5)啟動電流低

(6)軟啟動控制

(7)應用范圍廣

3.2.1 UC3879 外圍電路的設計

UC=Uin=U(UVSEL)=15V，設置fs=20kHz。RT腳和地之間的電阻決定定時電容的充電電流，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腳和地之間的定時電容與Dlin和RT，有如下關系

在實際電路中，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，在實際電路中可以用一個50K的滑動變阻器代替。

3.2.2 死區(qū)電路

OUTA和OUTB、OUTC和OUTD之間的死區(qū)由兩方面來確定:① 橋臂的令開關時間;② 由受初級最大的占空比限制。tdelay可以由以下公式計算

Udelay是延遲設定腳電壓(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)時間由接在DELAYC-D引腳的電阻來決定，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，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調(diào)解電壓的作用。

3.2.4 保護電路

為了使開關管電流過大，通過電壓互感器將信號引入CS引腳起保護作用，其它的也是類似。

3.2.5 軟啟動

為了保證有充足的軟啟動時間，在SS引腳接入3.3μF的電容，VREF引腳使高精確度的5V電壓基準信號。

4 實驗結果

本文參數(shù)設計要求: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)絡電容Ca1=Ca2=1nF，輔助網(wǎng)絡電感La=300μH，輸出箝位電容Co1=Co2=6μF，輸出濾波電容Co=1mF，開關管1MBH60D(帶寄生二極管)，功率二極管HFA25TB60，開關頻率fs=20kHz。實驗結果如圖5所示。

圖5(a)為開關管S1、S3驅動波形。S1、S4為斜對角兩個開關管，其中開關管S1相位超前開關管S4，之間相差一個移相角，相移5μs;圖5(b)是開關管S1的驅動及管壓降波形說明其實現(xiàn)了軟開關;圖5(c)是帶輔助網(wǎng)絡75%全負載時，滯后橋臂開關管S3管壓降和驅動波形?？梢奡3開通之前，其管壓降Vds已降為零，能夠較好的實現(xiàn)零電壓開通。圖5(d)為全負載，也即重載情況下，開關管S3驅動波形和變壓器初級電流波形。由于實驗中流過開關管S3不便測量，這里通過和變壓器初級電流比較來分析開關管S3的零電流關斷情況。由圖可見，在S3關斷之前，ipri已經(jīng)反向，通過與S3的反并聯(lián)二極管DS3流動，實現(xiàn)了S3的零電流關斷。從圖5(e)圖中可以看出，輔助電容在開關管S3和S4開關過程中電壓為 Vin，不參與工作。圖6給出了效率實驗的對比曲線可以看出，該實驗電路的最高效率為94.4%，滿負載時效率為93.2%。

圖6 功率變換器的效率圖

5 結論

實驗表明，新型軟開關DC/DC移相全橋變換器，能既能在較寬的負載范圍內(nèi)實現(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)流損耗和開關損耗，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單、方便、外圍組件少，且具有軟啟動和逐周限流的功能。

［1］ 阮新波，嚴抑光.脈寬調(diào)制DC/DC全橋變換器的軟開關技術［M］.北京:科學出版社，2001.

［2］ Guichao Hua，F(xiàn) C Lee，Milan M Jovanovic.An Improved Full-Bridge Zero-Voltage-Switched PWM Converter Using a Saturable Inductor［J］.IEEE Trans.on Power Electronics，1993，8(4):530－534.

［3］ KIM E S，JOE K Y，KYE M H，et al.An improved soft switching PWM FB DC/DC converter for reducing conduction loss［J］.IEEE Trans.on Power Electronics，1999，14(2):258－264.

［4］ CHO J G，SABATE J，HUA G，et al.Zero Voltage and Zero Current Switching Full-Bridge PW M Converter for High Power Application［C］.In IEEE PESC 94 Rec，1994:102－108.

［5］ CHO J G，JEONG C Y，LEE F C.Zero-voltage and zero-currents witching full bridge PWM converter using secondary active clamp ［J］.IEEE Trans.on Power Electronics，1998，13(4):601－607.

［6］ Texas Instruments公司.Phase Shift Resonant Controller.

［7］ 趙振民，岳云濤.一種基于UC3879控制的全橋軟開關DC/DC變換［J］.電力電子技術，2005，39(3):107－110.