丁穩(wěn)房，郜佳輝，楊 剛，章子涵

（湖北工業(yè)大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，湖北 武漢430068）

由于電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，低壓大電流直流電源開始越來(lái)越多地應(yīng)用到實(shí)際當(dāng)中去，又由于移相全橋技術(shù)可以降低功率開關(guān)管的開關(guān)損耗，提高變換器的效率以及容易實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)等優(yōu)點(diǎn)，因此移相全橋電路在大功率直流電源中成為首選拓?fù)浣Y(jié)構(gòu).移相全橋軟開關(guān)電路分為零電壓開關(guān)（ZVS），零電流開關(guān)（ZCS），零電壓零電流開關(guān)（ZVZCS）三種類型［1－3］.相比較而言，移相全橋ZVS電路因?yàn)槠涔ぷ骱?jiǎn)單可靠，不需要加輔助電路等優(yōu)點(diǎn)，比較適用于大功率低壓大電流的工作場(chǎng)合中.本實(shí)驗(yàn)裝置采用的是移相全橋ZVS PWM直流變直流技術(shù)，其輸出電壓28.5 V，額定輸出電流350 A，本文給出了整個(gè)硬件系統(tǒng)框圖，主電路參數(shù)設(shè)計(jì)，PWM波相關(guān)的硬件設(shè)計(jì)，最后給出了實(shí)驗(yàn)波形.

1 系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)框圖見圖1.

圖1 硬件系統(tǒng)框圖

三相電經(jīng)過(guò)12脈波自耦變壓器整流出來(lái)的電流只含有n次諧波量，n＝12k±1（k＝1，2，…），減小了輸入電流的總諧波含量（THD），提高了系統(tǒng)的兼容性，并且大大減小了12脈波自耦變壓器的體積容量.高頻變壓器采用的是損耗值比較低的鐵氧體材料，為了減少開關(guān)損耗.輸出的電壓和電流經(jīng)過(guò)采樣后到DSP28335控制板，經(jīng)過(guò)AD轉(zhuǎn)換，再通過(guò)SPI進(jìn)行板間通訊，把數(shù)據(jù)送到面板顯示.

2 關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)計(jì)

移相全橋ZVS變換電路見圖2，下面對(duì)其中的幾個(gè)重要參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算.

圖2 移相全橋ZVS變換電路

2.1 高頻變壓器的設(shè)計(jì)

高頻變壓器設(shè)計(jì)要求如下：額定輸出功率為10kW，允許短時(shí)間過(guò)載100%（一般為2 min左右），輸入三相交流電的電壓波動(dòng)范圍為380 V×（1±10%），也就是在342～418 V之間，開關(guān)頻率為20 k Hz，額定輸出直流電壓為28.5 V，根據(jù)這些要求高頻變壓器鐵芯選取了E28尺寸的R2SKB鐵氧體鐵芯，根據(jù)下面的公式求高頻變壓器的原邊匝數(shù)其中：Vin為高頻變壓器的直流輸入電壓，在這里取最大直流輸入電壓；K為波形系數(shù)，波形系數(shù)是指有效值與平均值之比，如果是方波一般為4；fs為開關(guān)工作頻率（20 k Hz）；Bw為變壓器的工作磁通密度，一般取它的最大工作磁通密度0.28 T；Ae為鐵芯有效截面積，m2，Ae＝AS×Ke，Ke＝0.97；將參數(shù)代入式（1）中可得

由于原邊是6個(gè)變壓器串聯(lián)，在這里就取每個(gè)變壓器的匝數(shù)為6匝.為了提高高頻變壓器的利用率，減小原邊電流以減小開關(guān)管的電流應(yīng)力，降低輸出整流塊恢復(fù)二極管（FRD）的電壓應(yīng)力，從而減小功率損耗，高頻變壓器的原邊與副邊的匝數(shù)比應(yīng)盡量大些，但是為了在任何時(shí)刻都能得到所要求的輸出電壓，需要利用高頻變壓器的副邊輸出的各種損耗和變壓器副邊的最大占空比Dmax來(lái)計(jì)算高頻變壓器副邊的最大輸出電壓值

其中：V0為輸出電壓值；VD為整流輸出塊恢復(fù)二極管上的通態(tài)損耗；VL為輸出濾波電感上的電壓損耗；VR輸出電流在輸出電纜上的壓降損耗.并根據(jù)最小輸入電壓Vin（max）來(lái)決定變壓器的副邊匝數(shù).

直流電源輸出為28.5 V，假設(shè)整流輸出二極管的通態(tài)壓降為2 V，輸出濾波電感上的電壓損耗為1 V，輸出電流在輸出電纜上的壓降損耗為2 V，變換器的最大占空比為0.85，把這些參數(shù)代到式（2）中可得

變壓器的原邊與副邊的匝數(shù)比關(guān)系如下：

由此可得變壓器的副邊匝數(shù)

又由于移相全橋電路的滯后臂工作時(shí)占空比丟失比較大，所以取副邊匝數(shù)為4匝，按以上參數(shù)設(shè)計(jì)的6個(gè)變壓器實(shí)測(cè)原邊總漏感為12μH.

2.2 超前橋臂諧振電容的設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)DC／DC變換器的超前橋臂和滯后橋臂的ZVS軟開關(guān)，需要根據(jù)DC／DC變換器的開關(guān)頻率和死區(qū)時(shí)間來(lái)確定直流變換器的超前橋臂和滯后橋臂的并聯(lián)電容和變壓器原邊串聯(lián)諧振電感.

在移相全橋的超前橋臂工作過(guò)程中，輸出濾波電感Lf和諧振電感Lr串聯(lián)，用來(lái)抽取超前橋臂上的并聯(lián)電容的能量以實(shí)現(xiàn)ZVS軟開關(guān)，由于原邊等效電感L＝Lr＋K2×LfLr，所以在超前橋臂工作過(guò)程中原邊等效電感值很大，它的電流可以近似不變，類似一個(gè)電流源，為了實(shí)現(xiàn)超前臂的ZVS，必須要讓Q1驅(qū)動(dòng)信號(hào)和Q3驅(qū)動(dòng)信號(hào)的死區(qū)時(shí)間大于超前橋臂上的并聯(lián)電容的充放電時(shí)間，并聯(lián)電容電壓減少量為

t01是指超前橋臂的并聯(lián)電容放電由電源電壓降到0 V時(shí)所需的時(shí)間.要實(shí)現(xiàn)超前臂的零電壓開通，必須要讓Q1驅(qū)動(dòng)信號(hào)和Q3驅(qū)動(dòng)信號(hào)的死區(qū)時(shí)間Td大于并聯(lián)電容的放電時(shí)間t01，所以要滿足

才能保證零電壓開通.由公式可得，如果原邊電流變得很小的話，C3的電壓放電到零的時(shí)間將變得很長(zhǎng)，當(dāng)t01＞Td時(shí)，將會(huì)失去零電壓條件，所以選擇C1和C3的電容值要根據(jù)死區(qū)時(shí)間和要求實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)的負(fù)載范圍來(lái)確定.

由于使用的開關(guān)器件是IGBT，所以死區(qū)時(shí)間不能設(shè)置太小，在這里設(shè)置超前臂死區(qū)時(shí)間為2.5μm，DC／DC變換器在大于10%的額定電流能實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)，即原邊電流I1大于4 A能實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)，在輕載狀態(tài)下輸入的直流電壓為530 V，將這些數(shù)據(jù)帶入式（3）得

因?yàn)镃1＝C3，在這里取C1＝C3＝4.7 n F，采用的電容是4.7 n F／600 V的CBB聚苯電容.

2.3 滯后橋臂諧振電容和諧振電感的設(shè)計(jì)

在滯后橋臂工作的過(guò)程中，由于變壓器副邊上的兩個(gè)二極管DR1和DR2同時(shí)導(dǎo)通，致使變壓器原邊繞組短接電壓為0，所以使得原邊等效電感就只是LrL＝Lr＋K2×Lf，這就使得滯后橋臂的等效電感遠(yuǎn)小于超前橋臂的等效電感，因此原邊電流就不能看成電流源，而且電流變化大.所以滯后橋臂比超前橋臂難實(shí)現(xiàn)零電壓開通，要想實(shí)現(xiàn)滯后橋臂的零電壓開關(guān)，要滿足以下兩個(gè)條件.

1）串聯(lián)的諧振電感儲(chǔ)存的能量要大于滯后橋臂的電容的儲(chǔ)存能量，即

其中CTR為變壓器的寄生電容，它的值很小，所以上式可以簡(jiǎn)化為

Clag為滯后橋臂的并聯(lián)電容的平均值，且

2）滯后橋臂的死區(qū)時(shí)間應(yīng)小于等于諧振周期的四分之一，公式如下：把上式變形一下可得

根據(jù)這兩個(gè)約束條件和滯后橋臂大于10 A時(shí)能實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)，就能確定出諧振電感Lr和并聯(lián)電容Clag的參數(shù)值.

由上述約束條件可得

把以知的參數(shù)代入公式（4）中

由于C2＝C4，在這里取Clag＝22 F.由于滯后橋臂的并聯(lián)諧振電容為22 F，從而可以根據(jù)式（5）來(lái)確定

由于高頻變壓器的原邊總漏感為12μH，所以諧振電感值為45.6μH.在實(shí)際的調(diào)試過(guò)程中，最好把諧振電感設(shè)計(jì)成可調(diào)的，以便讓其電感值根據(jù)實(shí)際的電路來(lái)確定.

3 PWM硬件電路設(shè)計(jì)

下面主要給出PWM的硬件控制電路和過(guò)壓過(guò)流保護(hù)電路，PWM的硬件功能框圖和硬件電路如圖3.DSP28335輸入輸出口都是3.3 V，而在設(shè)計(jì)故障封鎖電路時(shí)用到的是集成與門CD4081，CD4081的工作電壓分別在5 V、10 V、15 V，當(dāng)工作電壓是5 V時(shí)，只有當(dāng)輸入電壓最低為3.5 V才默認(rèn)為高電平，所以需要把3.3 V轉(zhuǎn)換成5 V，這里用的電平轉(zhuǎn)換芯片是SN74 ALVC164245，它是16位2.5 V轉(zhuǎn)為3.3 V或者由3.3 V轉(zhuǎn)為5 V電平的帶三態(tài)門輸出的移位收發(fā)器，在這里用的是3.3 V轉(zhuǎn)為5 V電平.硬件電路見圖4.

電路中2 OE接地，而2DIR接3.3 V，數(shù)字2表示第二路，由圖4可知只用到第二路，當(dāng)2 OE為低電平，2DIR為高電平時(shí)，A端口處于高阻態(tài)，B端口是使能的，所以信號(hào)是從A端口到B端口，也就是說(shuō)PWM波處于輸出狀態(tài).故障封鎖信號(hào)如圖5所示.

圖5 故障封鎖電路

在正常情況下，故障信號(hào)BLOCKALL是高電平1，當(dāng)有故障發(fā)生時(shí)故障信號(hào)BLOCKALL就為低電平0，在更4路PWM相與使得4路輸出為0，就把PWM波封鎖了.由于故障信號(hào)BLOCKALL牽扯的電路篇幅太大，所以這里給出硬件功能框圖以說(shuō)明硬件設(shè)計(jì)思想（圖6）.

在這里需要解釋的是：如果有故障信號(hào)過(guò)來(lái)，經(jīng)過(guò)RS觸發(fā)器后為高電平5 V，高電平5 V是接到三極管的基極來(lái)控制三極管的開通，故障顯示的電路用的是三極管的共發(fā)射極，接法相當(dāng)于一個(gè)開關(guān).所以當(dāng)信號(hào)來(lái)時(shí)，三極管導(dǎo)通相應(yīng)的故障燈就亮了.RS觸發(fā)器出來(lái)的故障信號(hào)經(jīng)過(guò)集成或門CD4075，是盡量把這么多故障信號(hào)轉(zhuǎn)換成一個(gè)總的故障信號(hào)，再經(jīng)過(guò)一個(gè)非門CD4011把故障電平信號(hào)反一下變?yōu)榈碗娖?，當(dāng)有故障發(fā)生時(shí)，也就得到故障信號(hào)BLOCKALL為低電平0；沒有故障發(fā)生時(shí)，故障信號(hào)BLOCKALL為高電平1.比較電平轉(zhuǎn)換的電路如圖7所示.

在調(diào)試過(guò)程中，PWM波參考電壓QDVF信號(hào)為1 V，PWM波信號(hào)QDONE在正常工作時(shí)電壓有效值為2.1 V，經(jīng)過(guò)比較器L M311出來(lái)的電壓信號(hào)最大為15 V，因?yàn)楸容^器L M311的偏置電壓給的是15 V，這樣就把PWM波最大為5 V的信號(hào)變成15 V的信號(hào)，這里只給出一路PWM波信號(hào)，其余三路與此相同.這里出來(lái)的PWM波到了IGBT驅(qū)動(dòng)板，再由IGBT驅(qū)動(dòng)板驅(qū)動(dòng)IGBT使其工作.

4 實(shí)驗(yàn)波形

在調(diào)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)高頻變壓器的原邊電壓上的尖峰很高，圖8是當(dāng)阻性負(fù)載為350 A時(shí)的波形，電壓尖峰將近400 V，這是諧振電感感應(yīng)的電壓尖峰.為了減小電壓尖峰，在諧振電感的兩端并上一個(gè)耐壓值為1 200 V的快恢復(fù)二極管，電壓波形從圖9可以看到，在阻性負(fù)載為350 A時(shí)的變壓器的原邊電壓尖峰只有100 V，電壓尖峰消減了300 V，說(shuō)明此處加上快恢復(fù)二極管能起到很好的作用.

圖10給出的是IGBT的超前橋臂驅(qū)動(dòng)波形，正電壓為15 V，負(fù)電壓為－10 V，負(fù)電壓是為了讓IGBT有效地關(guān)斷，從圖10可以看出，超前臂Q1和Q3的驅(qū)動(dòng)信號(hào)相反，不存在直通情況.

圖11是超前橋臂Q1的GE，CE電壓波形，1是驅(qū)動(dòng)信號(hào)，2是IGBT的CE的電壓波形，由此圖看出，當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)關(guān)斷時(shí)，IGBT的CE電壓由0開始慢慢上升實(shí)現(xiàn)了零電壓關(guān)斷，當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)打開時(shí)，IGBT的CE端的電壓幾乎為0，實(shí)現(xiàn)了零電壓開通，帶輕載時(shí)都能實(shí)現(xiàn)零電壓開通，根據(jù)式（3）可知，重載時(shí)更容易實(shí)現(xiàn)零電壓開通.

圖11 帶載35 A時(shí)Q1的GE，CE的電壓波形

最后是突加突減實(shí)驗(yàn)波形，突加實(shí)驗(yàn)是從電流35 A增加到350 A（圖12），突減實(shí)驗(yàn)是從電流350 A降到35 A的情況（圖13）.

圖12 從35 A到350 A時(shí)的電壓突加波形

圖13 從350 A降到35 A時(shí)的電壓突減波形

5 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)證明移相全橋ZVS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)零電壓開通，減少開關(guān)損耗，而且動(dòng)態(tài)性能比較好，適用于大功率的直流電源的軟開關(guān)電路［4］.

［1］孔雪娟，彭 力，康 勇.模塊化移相諧振式DC－DC變流器和并聯(lián)器［J］.電力電子技術(shù)，2002，36（5）：40－43.

［2］陳 堅(jiān).電力電子學(xué)［M］.北京：高等教育出版社，2009：291－297.

［3］段善旭，余新顏，康 勇.便攜式逆變弧焊電源［J］.電焊機(jī)，2004，33（12）：28－31.

［4］阮新波，嚴(yán)仰光.脈寬調(diào)制DC／DC全橋變換器的軟開關(guān)技術(shù)［M］.北京：科學(xué)出版社，1999.