裴素萍，胡俊峰，韓 梁

（1.中原工學(xué)院，鄭州450007；2.河南恩耐基電氣有限公司，鄭州450044）

現(xiàn)代開關(guān)電源的發(fā)展趨勢是高效率和小型化.要達到高效率和小型化的要求，提高開關(guān)頻率是有效措施之一，但是開關(guān)頻率的提高使電路的開關(guān)損耗、電磁干擾和開關(guān)噪聲也隨之增加，嚴(yán)重制約開關(guān)電源的發(fā)展.軟開關(guān)技術(shù)能很好地解決開關(guān)損耗和開關(guān)噪聲問題［1］.移相全橋電路是目前應(yīng)用最廣泛的軟開關(guān)電路之一.本文采用ZVZCS控制方法（能夠?qū)崿F(xiàn)超前臂零電壓開關(guān)和滯后臂零電流開關(guān)），對主電路中主要參數(shù)進行了計算和分析，并在MATLAB中進行建模仿真.

1 ZVZCS移相全橋變換器的設(shè)計

1.1 ZVZCS移相全橋變換器的原理

ZVZCS移相全橋變換器原理如圖1所示，其主電路主要由逆變橋、整流橋、輸出濾波電感電容、高頻變壓器、原邊串聯(lián)電容、飽和電抗器和超前臂上并聯(lián)的電容 C1、C2組成［2］.

移相PWM控制的基本工作原理為：每個橋臂的兩個開關(guān)管180°互補導(dǎo)通，兩個橋臂的導(dǎo)通之間相差一個移相角.通過調(diào)節(jié)此移相角的大小，來調(diào)節(jié)輸出電壓脈沖寬度，從而達到調(diào)節(jié)相應(yīng)的輸出電壓的目的.這種控制方式實際上是諧振變換技術(shù)與常規(guī)PWM變換技術(shù)的結(jié)合，該技術(shù)使開關(guān)器件在較低的電壓、電流應(yīng)力下實現(xiàn)軟開關(guān)［3］.

圖1 ZVZCS全橋移相變換器原理圖

在VT1和VT3導(dǎo)通前，利用C1和C2的充放電特性，使VT1和VT3的反并聯(lián)二極管D1、D3自然導(dǎo)通，進而實現(xiàn)VT1和VT3的零電壓關(guān)斷和零電壓導(dǎo)通.隔直電容Cb在VT1和VT4導(dǎo)通時充電，當(dāng)VT1（或 VT3）關(guān)斷，VT3（或 VT1）的反并聯(lián)二極管 D3（或D1）導(dǎo)通后，變換器工作在原邊復(fù)位狀態(tài)，此時開通VT2或關(guān)斷VT4實現(xiàn)零電流開關(guān).

1.2 主電路參數(shù)設(shè)計

1.2.1 高頻變壓器的設(shè)計

高頻變壓器具有體積小、漏感小、線圈分布電容小、鐵芯損耗小、效率高的特點，它是開關(guān)電源的重要組成部分之一.根據(jù)變壓器設(shè)計要求，綜合鐵氧體價格便宜、高頻發(fā)熱小、高頻性能好等優(yōu)點，本文采用EC90鐵氧體磁芯.

變壓器的設(shè)計采用面積乘積（AP）法［4］.原邊Np匝、副邊Ns匝的變壓器，在原邊開關(guān)以電壓V1工作時，根據(jù)電磁感應(yīng)定律有：

式中：fs——開關(guān)工作頻率（Hz）；

Bw——工作磁通密度（T）；

Ae——磁芯有效面積（m2）；

Kf——波形系數(shù)，有效值與平均值之比，正弦波時為4.44，方波時為4.

EC90鐵氧體的Ae＝6.24cm2，Bw＝0.3T；V1＝220V，fs＝10kHz.由式（1）整理得：

副邊繞組可按照下面的公式計算：

式中，Vo為變壓器副邊電壓.

結(jié)合鐵心參數(shù)和計算公式，可計算得原邊繞組29匝，副邊繞組9匝.

1.2.2 輸出濾波電感的選擇

根據(jù)系統(tǒng)要求，最大輸出電流100A，工作頻率10kHz，最大紋波電流1A.變壓器副邊電感由基爾霍夫電壓定律獲得：

在開關(guān)管導(dǎo)通Ton時：

輸出濾波電感紋波電流1A，則有：

即

由以上公式計算得：L≥0.64mH，這里選取L＝1mH.

1.2.3 輸出濾波電容的選擇

為了保持輸出電壓穩(wěn)定，在輸出端加濾波電容.濾波電容需要滿足以下2個條件：

（1）在穩(wěn)定運行狀態(tài)下，輸出的電壓紋波在規(guī)定的范圍內(nèi).

（2）在負(fù)載突然變?yōu)榱銜r，能夠保持輸出電壓穩(wěn)定［5］.

設(shè)電容為理想電容，輸出的紋波電壓Vr由電容C、輸出濾波電感上的紋波電流Ir和等效導(dǎo)通時間Ton決定：

當(dāng)紋波電壓小于0.5V時，則有C＞70μF.

當(dāng)負(fù)載突然從額定值降到零時，假設(shè)控制電路在第一時間做出響應(yīng)，儲存在電感上的能量將全部注入到濾波電容上，此刻有：

在設(shè)計中，負(fù)載由額定值突降到零時，最大電壓不超過60V，那么根據(jù)計算得出的電容值得C＞1 591μF，這里取C＝2 200μF.

1.2.4 隔直電容的選擇

當(dāng)開關(guān)管VT1和VT4同時導(dǎo)通時，變壓器原邊電流Ip給隔直電容Cb充電；當(dāng)開關(guān)管VT2和VT3同時導(dǎo)通時，Ip給Cb放電；而在續(xù)流期間，Cb的電壓保持不變，該電容參與其中的能量轉(zhuǎn)換過程，因此Cb的值要合理選擇.

當(dāng)Ip給隔直電容Cb充電時，其電壓從－Vb到Vb線性增長，則有：

其中，I0是變換器輸出電流，n為變壓器變比.

將式（9）積分得：

式中：D為占空比，T為開關(guān)周期.

一般Vb值取輸入電壓最大值的15%，由式（10）可計算得隔直電容Cb＝7.5μF，這里選取Cb＝10μF.

1.2.5 飽和電感參數(shù)的計算

在一個開關(guān)周期中，可飽和電感應(yīng)滿足磁復(fù)位條件Δφ＝0，即正向、負(fù)向磁飽和的磁通變化量之和或者伏秒積之和為零［6］.設(shè)磁復(fù)位時間為Δt，飽和電感的磁復(fù)位時間一般不超過開關(guān)周期的4%，設(shè)計開關(guān)頻率為20kHz，即開關(guān)周期為50μs，則Δt可取約2μs.所加的電壓為Vin（在開通時刻，電路中電流非常小，可飽和電感未飽和感抗很大，電源電壓幾乎全加在飽和電感兩端，當(dāng)電流達到臨界值Is后，飽和電感迅速飽和，其上電壓降為零，電源電壓加到變壓器兩端），鐵芯的截面積為Sc，飽和電感匝數(shù)為N，則有

取ΔB為鐵芯最大磁密Bs，則飽和電感匝數(shù)

在臨界電流時飽和電感可看作線性電感，則

綜上，電感值為：

選擇科達磁電公司的DNS468026型鐵硅鋁材料為磁芯，輸入電壓為264V，算得匝數(shù)為38，飽和電感臨界電流預(yù)先設(shè)置為5A，可得電感值Ls＝105μH.

飽和電感是電路實現(xiàn)滯后臂軟開關(guān)的重要元件，也是電路中最難以實現(xiàn)的元件之一.在實際電路中飽和電感是用磁芯和導(dǎo)線繞制而成，而磁芯會影響飽和電感的性能，所以，一般先通過計算，初步設(shè)定可飽和電感的值，再根據(jù)試驗進一步調(diào)整.

1.3 控制方法分析

當(dāng)負(fù)載突然增加時，輸出電壓小于給定電壓，通過電壓采樣電路采集電壓送入單片機內(nèi)部，再與給定電壓比較作差后進行閉環(huán)控制，通過軟件使輸出移相角增加，進而調(diào)整輸出電壓；也可用專用芯片UC3875進行控制，與單片機控制不同的是采樣電壓和給定電壓通過比較器把誤差信號直接傳送給UC3875的EA＋管腳，通過硬件使UC3875輸出移相角變化，從而調(diào)整輸出電壓.

2 MATLAB仿真及分析

2.1 MATLAB仿真電路參數(shù)

圖2所示是ZVZCS移相全橋變換器MATLAB仿真原理圖.輸入電壓為 AC220V，輸出電壓為DC50V，變壓器匝數(shù)比是3∶1，飽和電感Ls＝105μH，輸出濾波電感L＝1mH，輸出濾波電容C2＝2 200μF，死區(qū)時間Td＝2.5μs，Cb＝10μF；一般蓄電池組電壓是48V，本文在仿真時元器件都是理想的，所以給出輸出電壓50V.整流所得直流電給直流電容Ca充電，Subsystem模塊是移相產(chǎn)生電路，電壓給定50V，經(jīng)PI調(diào)節(jié)輸出接Subsystem模塊，Subsystem模塊產(chǎn)生IGBT驅(qū)動信號，通過控制IGBT開通關(guān)斷的時刻來改變移相角大小，間接改變斜對角IGBT開通的有效占空比，進而調(diào)節(jié)變壓器副邊電壓.通過改變負(fù)載電阻的大小來模擬負(fù)載變化.

圖2 ZVZCS移相全橋變換器MATLAB仿真原理圖

2.2 仿真結(jié)果及分析

圖3所示是負(fù)載R＝1Ω時的電壓、電流波形，響應(yīng)時間T＝7ms，幾乎沒有超調(diào)，電壓穩(wěn)定在50V且波動比較小.

圖4所示是負(fù)載R＝1Ω時的IGBT驅(qū)動信號，從上到下依次是IGBT VT1、VT2、VT3、VT4的控制信號.從波形中可以驗證移相全橋原理，此時移相角90°左右，可以通過改變移相角來調(diào)節(jié)輸出電壓的大小.

圖3 負(fù)載R＝1Ω時輸出電壓、電流波形

圖4 負(fù)載R＝1Ω時IGBT驅(qū)動信號

負(fù)載R＝0.5Ω時，輸出電壓、電流波形如圖5所示.IGBT驅(qū)動信號如圖6所示，通過圖6可以看出移相角接近150°，此時再增加負(fù)載，直流電壓波動比較大.因此，R＝0.5Ω被認(rèn)為負(fù)載最大值.

圖5 負(fù)載R＝0.5Ω時輸出電壓、電流波形

圖6 負(fù)載R＝0.5Ω時IGBT驅(qū)動信號

負(fù)載減小即R＝25Ω時，通過圖7可知輸出電壓、電流波形出現(xiàn)很大的超調(diào)，且電流波形波動頻繁.眾所周知，ZVSCS移相全橋變換器軟開關(guān)與原邊電流大小有關(guān)，在負(fù)載較輕即電流比較小時，實現(xiàn)零電壓開關(guān)比較困難.由圖8可知，負(fù)載R＝25Ω時移相角為25°左右.

圖7 負(fù)載R＝25Ω時輸出電壓、電流波形

圖8 負(fù)載R＝25Ω時IGBT驅(qū)動信號

由以上3種負(fù)載仿真結(jié)果可以看出，負(fù)載減小，移相角也相應(yīng)地減小；隨著負(fù)載的變化，輸出電壓基本維持在50V左右，波動較小，電流紋波也能達到要求.由此可見，參數(shù)選取合適.

3 結(jié) 語

飽和電感參數(shù)選取對于實現(xiàn)滯后橋臂軟開關(guān)很重要，根據(jù)需求初步算出一個值后還要經(jīng)過仿真試驗調(diào)整來確定.移相角可以在0°～180°連續(xù)可調(diào)，實際控制中必須考慮死區(qū)時間，防止上下橋臂直通.負(fù)載變化時，可通過電壓閉環(huán)改變移相角大小來穩(wěn)定輸出的直流電壓，負(fù)載越大移相角越大.

［1］張占松，蔡宣三.開關(guān)電源的原理與設(shè)計（修訂版）［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2004.

［2］劉勝利.高頻開關(guān)電源新技術(shù)［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2005.

［3］王建岡，陳乾宏，阮新波.改進型倍流整流電路ZVSPWM 全橋變換器［J］.電力電子技術(shù)，2001，35（3）：17－20.

［4］姜菲菲，魯明麗，楊浩東.開關(guān)電源中磁性元器件設(shè)計［J］.常熟理工學(xué)院學(xué)報，2008（10）：80－83.

［5］田松亞，顧海濤，付煒亮，等.雙零軟開關(guān)逆變主電路的參數(shù)計算仿真與試驗［J］.電焊機，2008，38（10）：44－50.

［6］余新顏，段善旭，康勇.零電壓零電流移相全橋 DC／DC變換器關(guān)鍵技術(shù)的研究［J］.通信電源技術(shù)，2005，22（1）：1－3.