文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2016.08.040
中文引用格式： 史永勝，田衛(wèi)東，高靜茹，等. 兩級(jí)高輕載效率數(shù)字功率變換器的研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42(8)：162-165.
英文引用格式： Shi Yongsheng，Tian Weidong，Gao Jingru，et al. Research on two-stage power converter based on digital control with high light load efficiency[J].Application of Electronic Technique，2016，42(8)：162-165.
0 引言
電源的輕載效率是當(dāng)今信息時(shí)代電源設(shè)備進(jìn)一步發(fā)展的必要關(guān)注課題之一。
為提高輕載效率，提出了許多方法：針對(duì)移相全橋變換器，文獻(xiàn)[1-3]從死區(qū)時(shí)間角度出發(fā)，引入輔助電路或直接加寬死區(qū)時(shí)間，這改善了輕載效率，但是電路復(fù)雜度和負(fù)載實(shí)時(shí)靈活性降低，加上額外的損耗，限制效率的進(jìn)一步提升；文獻(xiàn)[4]通過動(dòng)態(tài)調(diào)整母線電壓降低開關(guān)損耗，但是沒有對(duì)后級(jí)電路做進(jìn)一步的研究；文獻(xiàn)[5-6]通過分模式控制，提高了DC/DC部分的輕載效率，但是沒有考慮母線電壓對(duì)效率的影響。
本文研究的兩級(jí)變換器如圖1所示，在輕載情況下，母線電壓動(dòng)態(tài)調(diào)整在降低開關(guān)管應(yīng)力的同時(shí)使移相全橋的占空比保持在最大值，并且全橋部分工作在PWM控制和PWM Burst控制模式下，以進(jìn)一步減小開關(guān)損耗和環(huán)路電流損耗；當(dāng)負(fù)載增加到一定值時(shí)，全橋變換器改用移相控制。最后，基于TI的DSP平臺(tái)(TMS320F28335)，設(shè)計(jì)一臺(tái)600 W的試驗(yàn)樣機(jī)驗(yàn)證控制方法的正確性和有效性。
1 兩級(jí)結(jié)構(gòu)及其集成控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
按照服務(wù)器系統(tǒng)架構(gòu)(Server system architecture，SSI)標(biāo)準(zhǔn)[7]，該電源系統(tǒng)分為兩級(jí)，前級(jí)AC/DC變換器，后級(jí)DC/DC變換器，如圖1所示。前級(jí)PFC廣泛采用Boost變換器結(jié)構(gòu)[8-9]，還要滿足EN61000-3-2等的對(duì)電流諧波的要求，同時(shí)為達(dá)到功率因數(shù)校正的目的，對(duì)輸入電壓采樣并作為輸入電流的參考值，使輸入電流與輸入電壓同相位；后級(jí)移相全橋（PSFB）在無輔助原件條件下完成零電壓開關(guān)且適用于大、中功率場合的特點(diǎn)使它在DC/DC部分得到廣泛應(yīng)用[10]。
圖 1 兩級(jí)功率變換器結(jié)構(gòu)圖
圖2為集成控制時(shí)序圖，按照輸出電流值大小主要分為三種模態(tài)：模態(tài)1，極輕載（0～5%），母線電壓保持在較低水平（340 V），直接采用PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)，此時(shí)，原副邊的電流都很小，整流體二極管導(dǎo)通損耗極小，原邊幾乎無環(huán)流；模態(tài)2，輕載（5%～20%），進(jìn)入PWM Burst控制模式，該模式下，母線電壓還是保持在較低水平（340 V），當(dāng)輸出電壓超過其額定值的1%不再發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，否側(cè)有驅(qū)動(dòng)信號(hào)，而且，在該模式下的開關(guān)頻率低于正常工作開關(guān)頻率，且母線電壓值較低，使得輕載主要的開關(guān)損耗大大降低；模態(tài)3，進(jìn)入移相控制模式，該模式下能自然實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)，且母線電壓動(dòng)態(tài)調(diào)整，使占空比保持在最大值，從而減小損耗，提升整體效率，當(dāng)重載(70%～100%)時(shí)母線電壓保持在400 V以滿足重載保持時(shí)間的要求[11]。
圖2 集成控制時(shí)序圖
圖3為母線電壓自適應(yīng)調(diào)整流程圖，母線電壓不斷調(diào)整使移相全橋的占空比保持在最大值0.48T，0.2T的時(shí)間為瞬態(tài)裕度和死區(qū)時(shí)間。
圖3 母線電壓自適應(yīng)調(diào)整流程圖
2 損耗分析
分別對(duì)移相控制和PWM控制下的全橋變換器做損耗分析。
2.1 移相控制下的全橋變換器損耗
根據(jù)參考文獻(xiàn)[10-11]，原邊開關(guān)管的關(guān)斷損耗Poff_p：
式中，td(off)為開關(guān)管關(guān)斷時(shí)間，Coss_p為原邊開關(guān)管等效并聯(lián)電容，IPP為原邊峰值電流。
原邊開關(guān)管開通損耗為Pon_p：
其中，Ip2為原邊電感續(xù)流終止電流。
原邊單只開關(guān)管通態(tài)損耗PMOSFET_con_p：
式中，I1，rms是變壓器正常工作原邊電流有效值，
是原邊環(huán)流期電流有效值。
同步整流管的通態(tài)損耗PMOSFET_con_s：
式中IDS_s_rms是流過管子的電流有效值，電感和變壓器通態(tài)損耗Pinductor_con，PTR_con：
式中IL，rms為電感電流有效值。
磁芯損耗Pcore：
2.2 PWM控制下的全橋變換器損耗
原邊開關(guān)管開關(guān)損耗PSW_loss，p：
副邊開關(guān)損耗PSW_loss，s：
開關(guān)管的通態(tài)損耗PMOSFET_con_p：
變壓器通態(tài)損耗PTR_con：
電感與磁芯損耗見式(5)、式(7)。
2.3 損耗分布與對(duì)比
圖4為輕載及極輕載時(shí)，一般移相控制和本文集成控制下的損耗對(duì)比，集成控制下效率提升了2.14%。
圖4 輕載及極輕載模式下移相控制與集成控制損耗
由圖2知，在輕載與極輕載模式下變換器開關(guān)管有效工作時(shí)序均為PWM信號(hào)。結(jié)合圖5中變換器理論效率曲線，可知PWM全橋變換器在輕載和極輕載情況下確實(shí)能提高變換器的輕載效率。
圖5 效率曲線
3 仿真與實(shí)驗(yàn)分析
首先基于Psim9.0對(duì)電路進(jìn)行了仿真。主要實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)如下：諧振電感Lr=48 
變壓器變比n=54:8，開關(guān)頻率fs=100 kHz，死區(qū)時(shí)間tdead=300 ns。
如圖6、圖7分別為輕載和極輕載條件下的工作波形，在仿真基礎(chǔ)上搭建一臺(tái)600 W的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。實(shí)驗(yàn)表明，該變換器在達(dá)到高輕載效率的同時(shí)能保證正常工作較大負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)ZVS。圖8為Q1驅(qū)動(dòng)波形圖，其他驅(qū)動(dòng)波形類似。
圖6 輕載工作波形
圖7 極輕載工作波形
圖8 Q1零電壓轉(zhuǎn)換
圖9將本文中集成控制下的變換器與傳統(tǒng)全橋變換器的整機(jī)效率作比較。可以看出，在低于5%額定負(fù)載的情況下，效率能維持在70%以上，5%～20%額定負(fù)載情況下效率達(dá)到90%以上，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)全橋變換器效率。原因在于，本論文搭配輸出電壓可調(diào)的PFC并分模態(tài)控制變換器，使得變換器具有較高輕載效率。另外，數(shù)字控制減少了控制環(huán)路器件，減少了整機(jī)損耗。
圖9 整機(jī)效率
4 結(jié)論
本文重點(diǎn)研究了兩級(jí)功率變換器的輕載效率，結(jié)合數(shù)字控制技術(shù)提出了一種集成控制策略。在輕載和10%額定負(fù)載下效率分別提升了6.9%、10.0%，可以對(duì)服務(wù)器、適配器等電源的發(fā)展起到進(jìn)一步推動(dòng)作用。
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