摘要：介紹移相全橋ZVS變換器的原理，并用UC3875控制器研制成功3kW移相全橋零電壓高頻通信開(kāi)關(guān)電源。

1引言

　　傳統(tǒng)的全橋PWM變換器適用于輸出低電壓(例如5V)、大功率(例如1kW)的情況，以及電源電壓和負(fù)載電流變化大的場(chǎng)合。其特點(diǎn)是開(kāi)關(guān)頻率固定，便于控制。為了提高變換器的功率密度，減少單位輸出功率的體積和重量，需要將開(kāi)關(guān)頻率提高到1MHz級(jí)水平。為避免開(kāi)關(guān)過(guò)程中的損耗隨頻率增加而急劇上升，在移相控制技術(shù)的基礎(chǔ)上，利用功率MOS管的輸出電容和輸出變壓器的漏電感作為諧振元件，使全橋PWM變換器四個(gè)開(kāi)關(guān)管依次在零電壓下導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)恒頻軟開(kāi)關(guān)，這種技術(shù)稱(chēng)為ZVS零電壓準(zhǔn)諧振技術(shù)。由于減少了開(kāi)關(guān)過(guò)程損耗，可保證整個(gè)變換器總體效率達(dá)90％以上，我們以Unitrode公司UC3875為控制芯片研制了零電壓準(zhǔn)諧振高頻開(kāi)關(guān)電源樣機(jī)。本文就研制過(guò)程，研制中出現(xiàn)的問(wèn)題及其改進(jìn)進(jìn)行論述。

2準(zhǔn)諧振開(kāi)關(guān)電源的組成

　　ZVS準(zhǔn)諧振高頻開(kāi)關(guān)電源是一個(gè)完整的閉環(huán)系統(tǒng)，它包括主電路、控制電路及CPU通訊和保護(hù)電路，如圖1所示。

　　從圖1可以看出準(zhǔn)諧振開(kāi)關(guān)電源的組成與傳統(tǒng)PWM開(kāi)關(guān)電源的結(jié)構(gòu)極其相似，不同的是它在DC/DC變換電路中采用了軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，即準(zhǔn)諧振變換器（QRC）。它是在PWM型開(kāi)關(guān)變換器基礎(chǔ)上適當(dāng)?shù)丶由现C振電感和諧振電容而形成的，由于運(yùn)行中，工作在諧振狀態(tài)的時(shí)間只占開(kāi)關(guān)周期的一部分，其余時(shí)間都是運(yùn)行在非諧振狀態(tài)，所以稱(chēng)為“準(zhǔn)諧振”變換器。準(zhǔn)揩振變換器又分為兩種，一種是零電流開(kāi)關(guān)（ZCS）,一種是零電壓開(kāi)關(guān)（ZVS），零電流開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振變換器的特點(diǎn)是保證運(yùn)行中的開(kāi)關(guān)管在斷開(kāi)信號(hào)到來(lái)之前，管中電流下降到零。零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振的特點(diǎn)是保證運(yùn)行中的開(kāi)關(guān)管在開(kāi)通信號(hào)到來(lái)之前，管子兩端的電壓已經(jīng)下降到零。

3零電壓準(zhǔn)諧振變換器的工作原理

　　全橋零電壓準(zhǔn)諧振變換器的主電路如圖2所示。Uin為PFC電路輸出的直流電壓(400V)，S1～S4為功率開(kāi)關(guān)管，其體二極管為D1～D4，圖中未畫(huà)出其體電容C1～C4，Lr為變壓器T1初級(jí)串聯(lián)諧振電感，（包括變壓器的漏感），C為防止變壓器因偏磁而飽和的隔直電容，T2為電流互感器，用于檢測(cè)。當(dāng)變換器過(guò)流時(shí)，保護(hù)電路切斷驅(qū)動(dòng)信號(hào)，保護(hù)功率器件。變壓器次級(jí)電壓經(jīng)過(guò)D5、D6整流和輸出LC濾波器給負(fù)載供電。圖3給出了變壓器初級(jí)電壓UP、次級(jí)電壓US和初級(jí)電流ip的波形圖。ZVS變換器一周期內(nèi)可分為六個(gè)運(yùn)行模式，如表1所示。圖3中設(shè)t表1ZVS變換器一周期內(nèi)運(yùn)行模式

圖13kW通信開(kāi)關(guān)電源方框圖

圖2移相全橋ZVS變換器控制和輸出電路原理圖

圖3全橋ZVSPWM變換器的主要波形

圖4移相PWM轉(zhuǎn)換器控制和驅(qū)動(dòng)原理圖

4占空比分析

　　由波形圖可見(jiàn)，由于變換器存在漏電感，使初級(jí)電流在t1～t3階段，有一定斜率，因此次級(jí)電壓占空比(t4－t3)/(t4－t0)小于初級(jí)電壓占空比(t4－t1)/(t4－t0)，造成占空比損失。開(kāi)關(guān)頻率越高，占空比損失越大。

5移相全橋兩橋臂開(kāi)關(guān)管實(shí)現(xiàn)ZVS的條件

　　由表1和圖3可以看出，S3和S4實(shí)現(xiàn)ZVS分別早于S1、S2，故稱(chēng)S3、S4為右橋臂又稱(chēng)超前橋臂，S1、S2為左橋臂又稱(chēng)滯后臂。由表1可以看出S3、S4實(shí)現(xiàn)ZVS分別在(t0～t1)和(t4～t5)，S2、S1實(shí)現(xiàn)ZVS分別在(t2～t3)和(t6～t7)。而(t2～t3)和(t6～t7)時(shí)變壓器初級(jí)電流分別小于(t0～t1)和(t4～t5)時(shí)的初級(jí)電流，故滯后橋臂比超前橋臂實(shí)現(xiàn)ZVS開(kāi)關(guān)困難，特別是輕載時(shí)最為明顯。

　　從理論上分析，S1、S2實(shí)現(xiàn)ZVS開(kāi)關(guān)時(shí)，變壓器次級(jí)處于續(xù)流階段，諧振時(shí)由諧振電感釋放能量，使諧振電容電壓下降到零，從而實(shí)現(xiàn)ZVS，此時(shí)實(shí)現(xiàn)ZVS條件為：電感能量必須大于所有參與諧振的電容能量。即

LrIp2/2>(4Coss/3＋Cxfmr)×U2in

式中：4Coss/3是考慮MOS管輸出電容非線(xiàn)性等效電容值，Cxfmr是變壓器繞組的分布電容。由上式可見(jiàn)，滯后橋臂實(shí)現(xiàn)ZVS主要靠諧振電感儲(chǔ)能，輕載時(shí)能量不夠大，因此滯后橋臂不易滿(mǎn)足ZVS條件。

　　S3、S4實(shí)現(xiàn)ZVS開(kāi)關(guān)時(shí)，變壓器處于能量傳遞階段。初級(jí)電流IP=－Io/n（n為變壓器變比），初級(jí)等效電感Le=Lr＋n2LO。所以根據(jù)ZVS條件，電感能量必須大于所有參與諧振的電容能量，應(yīng)有Le(Io/n)2/2>（4Coss/3＋Cxfmr)Uin2。由于Le(Io/n)2/2相當(dāng)大，故即使輕載時(shí)超前橋臂也較容易滿(mǎn)足ZVS條件。

6移相全橋PWM控制器

　　移相全橋PWM控制技術(shù)最關(guān)鍵的是器件的導(dǎo)通相位能在0～180°范圍內(nèi)移動(dòng)，若控制不好，特別是左橋臂或右橋臂的兩個(gè)開(kāi)關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通，將導(dǎo)致災(zāi)難性的后果。Unitrode公司生產(chǎn)的UC3875能提供0～100％占空比的控制，并且有必要的保護(hù)、譯碼及驅(qū)動(dòng)功能，有四組驅(qū)動(dòng)輸出，每組的延時(shí)時(shí)間可控制，其控制電路如圖4所示。E/A＋接固定的25V電壓（VREF=5V,R5、R9為10kΩ)，作電壓給定信號(hào)。E/A－接對(duì)應(yīng)的輸出電壓和EA＋比較，從而控制OUTA～OUTD的相位，最終控制輸出電壓。C/S＋接控制信號(hào)(如初級(jí)過(guò)流信號(hào)等)，當(dāng)初級(jí)過(guò)流時(shí)，C/S＋大于25V，UC3875停止輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，從而將變換器輸出關(guān)閉，防止了災(zāi)難事故的發(fā)生。驅(qū)動(dòng)信號(hào)由OUTA～OUTD輸出，并經(jīng)TC4420擴(kuò)流，由驅(qū)動(dòng)變壓器去驅(qū)動(dòng)S1～S4MOS管，其延時(shí)時(shí)間由UC3875的7腳、15腳外接電阻確定，實(shí)際的驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)序如圖5所示。

圖5驅(qū)動(dòng)信號(hào)、變壓器次級(jí)信號(hào)波形圖

7結(jié)語(yǔ)

(1)換向死區(qū)時(shí)間的控制對(duì)實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)關(guān)很重要。

(2)UC3875控制電路的控制部分和輸出驅(qū)動(dòng)部分供電電源應(yīng)分開(kāi)，否則移相時(shí)將引起頻率變化。

　　(3)為了在寬范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)ZVS，要在變壓器初級(jí)串一個(gè)諧振電感，但諧振電感不能太大，電感太大會(huì)帶來(lái)占空比丟失，初級(jí)電流較大，導(dǎo)通損耗增大，電感發(fā)熱等問(wèn)題，并且效率大大降低。

　　根據(jù)中國(guó)電信總局1999年底對(duì)所有入網(wǎng)通信電源效率的要求：所有大于1kW的通信電源，其效率(從半載到滿(mǎn)載)應(yīng)大于90％。解決了諧振電感的發(fā)熱損耗問(wèn)題，也就解決了效率問(wèn)題。也可采用全橋ZVZCSPWM電路，使超前橋臂實(shí)現(xiàn)ZVS，滯后橋臂實(shí)現(xiàn)ZCS，便可克服全橋ZVS的缺點(diǎn)，效率可達(dá)93％以上。