張文鼎，肖強暉，廖無限

（湖南工業(yè)大學電氣與信息工程學院，湖南株洲412007）

用于EPS的12 V/48 V軟開關(guān)電源變換器研究

張文鼎，肖強暉，廖無限

（湖南工業(yè)大學電氣與信息工程學院，湖南株洲412007）

分析了ZVT-BOOST電路的工作原理，設(shè)計BOOST電路的主要參數(shù)及控制回路，設(shè)計了一個基于TL494的用于EPS的軟開關(guān)電源變換器樣機，其輸出電壓為48 V，輸出功率為100 W。對樣機的測試結(jié)果表明：本樣機能穩(wěn)定輸出電壓，整機效率大于90%，性能滿足設(shè)計要求。

TL494；EPS；軟開關(guān)；穩(wěn)壓

0 引言

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是汽車的主要子系統(tǒng)之一，其性能直接關(guān)系到汽車的操縱穩(wěn)定性和舒適性，且對于確保行車安全、減少交通事故以及保護駕駛員的人身安全、改善駕駛員的工作條件起重要作用。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（electric power steering，EPS）是近些年出現(xiàn)的一種先進的汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。其利用電動機產(chǎn)生動力，幫助駕駛員進行轉(zhuǎn)向操作。該系統(tǒng)主要由3部分構(gòu)成：信號傳感裝置、轉(zhuǎn)向助力機構(gòu)、電子控制裝置。相比較于傳統(tǒng)的液壓式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和機械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，EPS在環(huán)保、節(jié)能、結(jié)構(gòu)簡單、布置靈活、產(chǎn)品減重等諸多方面擁有較大優(yōu)勢，因此，被廣泛應(yīng)用于汽車領(lǐng)域[1]。而電源對于各種電氣設(shè)備就像心臟對于人體一樣重要，如果沒有了電源則各種用電設(shè)備將無法運行。隨著電源技術(shù)的發(fā)展，各種新型器件、新電路拓撲及先進的控制策略應(yīng)用到電源裝置中，特別是DC/DC高頻開關(guān)電源在各個領(lǐng)域中得到越來越廣泛的應(yīng)用[2]。

為了使開關(guān)電源達到高功率密度和易于便攜的要求，通常采用高頻PWM軟開關(guān)控制方式，這樣不僅有利于減小開關(guān)電源的體積，而且還能有效降低開關(guān)器件的損耗和噪音[3]。

綜上所述，本文分析了ZVT-BOOST電路的工作原理，并對BOOST電路的主要參數(shù)及控制回路進行設(shè)計，然后采用Saber仿真軟件進行建模，并對升壓電路進行仿真分析。仿真結(jié)果表明：ZVS PWM軟開關(guān)變換技術(shù)具有開關(guān)損耗小、恒頻控制和變換效率高等優(yōu)點[4]。最后，研制了一款48 V/100 W的實驗樣機，并給出了相關(guān)的實驗波形,實驗結(jié)果表明：電源的輸入為12 V，輸出為48 V/100 W，整機效率大于90%，基本達到設(shè)計指標，適用于EPS電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。

1 ZVT零轉(zhuǎn)換電路原理

ZVS PWM BOOST電路如圖1所示。直流電源Uin、輸入濾波電感Lf、主開關(guān)管Q1、二極管D、輸出濾波電容C和負載R構(gòu)成基本的BOOST電路拓撲。輔助開關(guān)管Q2、二極管D1、諧振電感Lr和諧振電容Cr構(gòu)成有源軟開關(guān)環(huán)節(jié)。開通時，Cr和Lr構(gòu)成的諧振電路可以減小并延緩主開關(guān)管Q1的開通電流上升率，使Q1和D2具有零電壓開通環(huán)境，可有效減少開關(guān)損耗。關(guān)斷時，Q1與并聯(lián)的電容Cr可以有效抑制主開關(guān)管關(guān)斷時的電壓上升率，為Q1和D2營造零電壓開通環(huán)境，可有效減少關(guān)斷損耗。二極管D1和D3起到續(xù)流和換流的作用[5-7]。

圖1 ZVS PWM BOOST電路Fig.1 ZVS PWM BOOST circuit

2 電路工作過程分析

2.1 軟開關(guān)工作條件

所謂軟開關(guān)，就是利用電感電流不能突變這個特性，用電感來限制開關(guān)管開通過程的電流上升速率，實現(xiàn)零電流開通；利用電容電壓不能突變的特性，用電容來限制開關(guān)管關(guān)斷過程的電壓上升速率，實現(xiàn)零電壓關(guān)斷；利用LC諧振回路的電流與電壓存在相位差的特性，用電感電流給MOS結(jié)電容放電，從而實現(xiàn)零電壓開通；或是在管子關(guān)斷之前，電流就已經(jīng)過零，從而實現(xiàn)零電流關(guān)斷[5]。

2.2 主電路工作過程

主電路軟開關(guān)BOOST拓撲結(jié)構(gòu)穩(wěn)態(tài)時原理波形圖如圖2所示。圖中，g是主管驅(qū)動電壓波形，vds是主管VDS電壓波形，id是主管漏極電流，ga是輔管驅(qū)動電壓，ia是輔管集電極電流，vdsa是輔管VDS電壓波形，iL1是諧振電感電流，ip是主二極管電流。

圖2 主電路軟開關(guān)BOOST拓撲結(jié)構(gòu)穩(wěn)態(tài)時原理波形圖Fig.2 The principle waveform of BOOST topology of main circuit switching at steady-state

主電路工作原理如下：

T0時刻之前，主二極管導通，向負載供電。

T0時刻，輔管開通。由于電感L1的存在，輔管電流線性上升，主二極管電流線性下降。因此，輔管是零電流開通，此時，輔管驅(qū)動波形的開通過程存在Miller效應(yīng)。而主二極管的關(guān)斷過程是相當?shù)摹败洝?，反向恢復電流較小。在主二極管電流完全轉(zhuǎn)移到電感L1中以后，主管的VDS電壓開始諧振下降。

T1時刻，主管VDS電壓降到零，主管旁邊的二極管D3導通，將VDS箝位在零。此時開通主管就屬于零電壓開通。

T2時刻，主管開通。從主管Q2波形可以看出，主管是在零電壓零電流的狀態(tài)下開通的。從柵極信號可以看出，主管Q2沒有開通過程的Miller效應(yīng)。主管開通后，輔管可以關(guān)斷。

T3時刻，輔管關(guān)斷。從輔管Q1波形可以看出，其關(guān)斷過程中，輔管的VDS電壓在C2的緩沖下緩慢上升，電壓和電流重疊部分較小。本文選擇高速的IGBT（insulated gate bipolar transistor）型號為MGW12N120，以實現(xiàn)輔管的零電壓關(guān)斷。諧振電感L1中的能量向C2中轉(zhuǎn)移。當C2電壓達到輸出電壓時，箝位二極管導通，保證了輔管的VDS電壓不會超過輸出電壓[8]。

T4時刻，當諧振電感L1的能量完全轉(zhuǎn)移到C2中以后，箝位二極管MUR460_2關(guān)斷反偏。

T5時刻，主管關(guān)斷。輸入電流通過C2,MUR460_2,MUR460_1向負載R輸出。在C2的緩沖下，主管的VDS電壓線性上升，呈現(xiàn)良好的零電壓關(guān)斷狀態(tài)。

T6時刻，C2的能量完全釋放完畢，C2兩端電壓差為零。主二極管MUR1560導通，輸入電流通過主二極管向負載輸送能量。

3 驅(qū)動電路

3.1 控制芯片TL494的簡介

TL494是一種固定頻率脈寬調(diào)制電路，其主要為開關(guān)電源電路而設(shè)計[6]。主要特征有：集成了全部的脈寬調(diào)制電路；內(nèi)置主從振蕩器和誤差放大器；內(nèi)置5.0 V參考基準電壓源；可調(diào)整死區(qū)時間；內(nèi)置功率晶體管可提供最大500 mA的驅(qū)動能力；輸出可控制推拉電路或單端電路；自帶欠壓保護。

TL494的內(nèi)部框圖如圖3所示。

圖3 TL494結(jié)構(gòu)原理圖Fig.3 The structure diagram of TL494

圖3中，引腳功能如下：

引腳1 為第一組誤差放大器的同相輸入端；

引腳2 為第一組誤差放大器的反相輸入端；

引腳3 為相位校正和增益控制；

引腳4 為死區(qū)控制端，改變此腳電壓，可改變死區(qū)時間；

引腳5 為內(nèi)部振蕩電路，外接振蕩電容C；

引腳6 為外接振蕩電阻R，和引腳5一起產(chǎn)生鋸齒波電壓送比較器和死區(qū)時間比較器，振蕩頻率為OSC=1/(RC)；

引腳7 為共地端，也是供電的負極端；

引腳8和11 為兩路輸出放大管的集電極；

引腳9和10 為內(nèi)部驅(qū)動放大管的發(fā)射極；

引腳12 為供電端，其允許輸入電壓可達8～40 V，因此無需外部穩(wěn)壓器；

引腳13 為輸出控制端，當U13=0時，用于驅(qū)動單端電路，該腳接地時，為并聯(lián)單端輸出方式，接引腳14時，為推挽輸出方式；

引腳14 為內(nèi)部5.0 V基準電壓輸出端，最大輸出電流10 mA；

引腳15和16分別為第二組誤差放大器的反相和同相輸入端。

3.2 驅(qū)動電路工作原理

TL494為驅(qū)動電路，驅(qū)動開關(guān)管，其電路原理如附圖1所示。引腳9和引腳10產(chǎn)生輸入信號PWM[9-12]，如圖4所示。

圖4 PWM脈沖時序圖Fig.4 PWM pulse timing diagram

AR5,C5,R21組成一個有源濾波電路（見附圖1），該電路利用C5充放電的緩沖時間，將引腳8輸出的方波A（見圖4）變換成一個具有上升沿和下降沿的波形B。AR1,R10,R9和U3A組成一個電壓比較器（見附圖1），其中AR1輸出電壓為

Uout1作為U3A反向輸入端。只有當U3A的正向輸入端U1高于Uout1時，U3A才有輸出，即

由式（2）可以看出，經(jīng)過U3A以后輸出的波形是一個移相的波形，即波形C。Q10是由2N4351構(gòu)成的或門電路，其作用是將TL494的第一路輸出波形A和經(jīng)過U3A變換后的波形C作或運算。

由式（3）可知，Uout2的輸出波形為U1和U3的公共部分，即波形D，該波形用作主開關(guān)的驅(qū)動信號。Q9是由2N4351構(gòu)成的異或門電路，其作用是將TL494的輸出波形A和波形C（見圖4）做異或運算，即

Uout3的輸出波形為波形E，其用作輔助開關(guān)管的驅(qū)動信號。該波形的導通時間非常短，其導通時間為

式中C5為附圖1中電容C5的電容量。

4 實驗結(jié)果與分析

根據(jù)上述ZVT-BOOST的工作原理和參數(shù)設(shè)計值，本文設(shè)計了實際電路，如圖5～6所示。整個電路的原理圖如附圖1所示。

圖5 PCB板正面Fig.5 The front of PCB

圖6 PCB板反面Fig.6 The back of PCB

軟開關(guān)變換器樣機的主開關(guān)及輔助開關(guān)管的波形如圖7所示。其中，通道CH1顯示的是輔助開關(guān)管PWM波形，通道CH2顯示的是主開關(guān)管的PWM波形。從波形圖可以看出，主開關(guān)管關(guān)斷時，輔助開關(guān)管為低電平；輔助開關(guān)管開通時，主開關(guān)管為低電平，這說明了本課題組設(shè)計的樣機起到了軟開關(guān)的作用。

圖7 軟開關(guān)變換器樣機的主開關(guān)及輔助開關(guān)管輸入波形Fig.7 The input waveform of main switch and auxiliary switch of soft-switching converter prototype

該變換器樣機的輸出電壓波形如圖8所示，即通道GH1的波形。示波器探頭用X10檔位，示波器設(shè)置為DIV 1 V模式。由圖可知，樣機的輸出電壓為48 V左右，基本達到預期效果。

圖8 電路輸出電壓波形Fig.8 Circuit output voltage waveform

對樣機進行實測的結(jié)果表明，該變換器符合軟開關(guān)要求，能穩(wěn)定輸出電壓，達到了預期效果。

5 結(jié)語

本文設(shè)計了一個12 V/48 V軟開關(guān)變換器。該變換器是利用邏輯電路將同一PWM波形做運算變換，輸出的主PWM和輔助PWM波形用于驅(qū)動主開關(guān)和輔助開關(guān)；通過MOSFET輔助開關(guān)管實現(xiàn)軟開關(guān)，提高電源工作效率，同時能夠保證其輸出直流電壓的穩(wěn)定性。對12 V/48 V軟開關(guān)變換器的測試結(jié)果表明，該變換器能應(yīng)用于EPS電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。

參考文獻：

[1]徐冉. 汽車電控助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)[J]. 機電工程技術(shù)，2010，39(8)：18-22. Xu Ran. Steering System of Automotive Electronic Control [J]. Electrical Engineering Technology，2010，39(8)：18-22.

[2]陳堅. 電力電子學：電力電子變換和控制技術(shù)[M]. 2版. 北京：高等教育出版社，2004：35-40. Chen Jian. Power Electronics：Power Electronic Transformation and Control Technology[M]. 2nd ed. Beijing：Higher Education Press，2004：35-40.

[3]吳忠強，王志君. DC/DC變換器的一種無源控制方案[J].電機與控制學報，2008，12(2)：147-150. Wu Zhongqiang，Wang Zhijun. Kind of Passivity Control Scheme of DC/DC Converter[J]. Electric Machines and Control，2008，12(2)：147-150.

[4]Garcia F S，Pomilio J A，Deaecto G S，et al. Analysis and Control of DC-DC Converters Based on Lyapunov Stability Theory[C]//2009 Energy Conversion Congress and Exposition(ECCE). San Jose：IEEE，2009：2920-2927.

[5]周志敏，周紀海. 開關(guān)電源實用技術(shù)：設(shè)計與應(yīng)用[M].北京：人民郵電出版社，2003：98-110. Zhou Zhimin，Zhou Jihai. Practical Technology of Switching Power Supply：Design and Application[M]. Beijing：People's Posts and Telecommunications Press，2003：98-110.

6]阮新波，嚴仰光. 直流開關(guān)電源的軟開關(guān)技術(shù)[M]. 北京：科學出版社，2000：87-91. Ruan Xinbo，Yan Yangguang. DC Switching Power Supply Soft-Switch Technology[M]. Beijing：Science Press，2000：87-91.

[7]肖強暉. 現(xiàn)代電力電子技術(shù)[M]. 北京：光明日報出版社，2002：117-122. Xiao Qianghui. Modern Power Electronic Technology[M]. Beijing：Guangming Daily Press，2002：117-122.

[8]魏偉，李軍，魏嵐婕. 一種軟開關(guān)電力操作電源的研究[J]. 電力電子技術(shù)，2007，41(11)：47-49. Wei Wei，Li Jun，Wei Lanjie. Study of a Soft-Switching Power Supply Operation[J]. Power Electronics，2007，41 (11)：47-49.

[9]周志軍. 軟開關(guān)電源設(shè)計與仿真研究[D]. 武漢：武漢大學，2004. Zhou Zhijun. Design and Simulation of Soft Switching Power Supply[D]. Wuhan：Wuhan University，2004.

[10]劉光亞，方治昊. 基于軟開關(guān)的24 V開關(guān)電源的設(shè)計與仿真[J]. 湖北工業(yè)大學學報，2012，27(2)：1-3. Liu Guangya，F(xiàn)ang Zhihao. Design and Simulation of 24 V Switching Power Supply Based on Soft Switching[J]. Journal of Hubei University of Technology，2012，27(2)：1-3.

[11]牛義. 基于軟開關(guān)技術(shù)的PWM整流系統(tǒng)的研究[D]. 大慶：東北石油大學，2011. Niu Yi. Research of PWM Rectifier System Based on Soft Switching Technology[D]. Daqing：Northeast Petroleum University，2011.

[12]文立群，肖強暉. 基于UC3846的有源嵌位單級PFC開關(guān)電源[J]. 湖南工業(yè)大學學報，2014，28(2)：52-55. Wen Liqun，Xiao Qianghui. UC3846-Based Active Clamp and Single-Stage PFC Switched Power Supply[J]. Journal of Hunan University of Technology，2014，28(2)：52-55.

（責任編輯：鄧彬）

Research of 12 V/48 V Soft Switching Power Converter for EPS

Zhang Wending，Xiao Qianghui，Liao Wuxian
（School of Electrical and Information Engineering，Hunan University of Technology，Zhuzhou Hunan 412007，China）

Analyzed the working principle of ZVT-BOOST circuit,designed main parameters and the control loop of BOOST circuit,and devised a TL494-based soft switching power converter prototype for EPS,whose output voltage was 48 V and output power was 100 W. The test result shows that the prototype outputs voltage stably,the performance meets he design requirements,and the efficiency is beyond 90%.

TL494；electric power steering (EPS) ；soft-switching；voltage stabilizing

附圖1 電路原理圖Fig. 1 The principle diagram of the circuit

TN86

A

1673-9833(2015)01-0070-06

2014-12-02

湖南省科技廳科研基金資助項目（12FJ4266），湖南省教育廳科研基金資助項目（13C023）

張文鼎（1990-），男，湖南湘鄉(xiāng)人，湖南工業(yè)大學碩士生，主要研究方向為軟開關(guān)，DC/DC以及PWM控制，E-mail：465964605@qq.com

10.3969/j.issn.1673-9833.2015.01.013