移相全橋ZVS變換器的原理與設計

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關電源。

關鍵詞：移相全橋零電流開關零電壓開關準諧振

The Principle and Design of Phase? shifted Full? bridge Zero? voltage Convertor

Abstract： The paper introduces the principle of phase? shifted full? bridge zero? voltage? switching convertor.A 3kw full? bridge ZVS convertor was developed using UC3875 controller.

Keywords: Phase? shifted full? bridge, ZCS, ZVS, Quasi? resonance

中圖法分類號：TN86文獻標識碼：A文章編號：0219?2713(2000)11?572?03

1引言

　　傳統的全橋PWM變換器適用于輸出低電壓(例如5V)、大功率(例如1kW)的情況，以及電源電壓和負載電流變化大的場合。其特點是開關頻率固定，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，需要將開關頻率提高到1MHz級水平。為避免開關過程中的損耗隨頻率增加而急劇上升，在移相控制技術的基礎上，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變換器四個開關管依次在零電壓下導通，實現恒頻軟開關，這種技術稱為ZVS零電壓準諧振技術。由于減少了開關過程損耗，可保證整個變換器總體效率達90％以上，我們以Unitrode公司UC3875為控制芯片研制了零電壓準諧振高頻開關電源樣機。本文就研制過程，研制中出現的問題及其改進進行論述。

2準諧振開關電源的組成

　　ZVS準諧振高頻開關電源是一個完整的閉環系統，它包括主電路、控制電路及CPU通訊和保護電路，如圖1所示。

　　從圖1可以看出準諧振開關電源的組成與傳統PWM開關電源的結構極其相似，不同的是它在DC/DC變換電路中采用了軟開關技術，即準諧振變換器（QRC）。它是在PWM型開關變換器基礎上適當地加上諧振電感和諧振電容而形成的，由于運行中，工作在諧振狀態的時間只占開關周期的一部分，其余時間都是運行在非諧振狀態，所以稱為“準諧振”變換器。準揩振變換器又分為兩種，一種是零電流開關（ZCS）,一種是零電壓開關（ZVS），零電流開關準諧振變換器的特點是保證運行中的開關管在斷開信號到來之前，管中電流下降到零。零電壓開關準諧振的特點是保證運行中的開關管在開通信號到來之前，管子兩端的電壓已經下降到零。

3零電壓準諧振變換器的工作原理

　　全橋零電壓準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為功率開關管，其體二極管為D1～D4，圖中未畫出其體電容C1～C4，Lr為變壓器T1初級串聯諧振電感，（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。當變換器過流時，保護電路切斷驅動信號，保護功率器件。變壓器次級電壓經過D5、D6整流和輸出LC濾波器給負載供電。圖3給出了變壓器初級電壓UP、次級電壓US和初級電流ip的波形圖。ZVS變換器一周期內可分為六個運行模式，如表1所示。圖3中設t表1ZVS變換器一周期內運行模式

圖13kW通信開關電源方框圖

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轉換器控制和驅動原理圖

4占空比分析

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

5移相全橋兩橋臂開關管實現ZVS的條件

　　由表1和圖3可以看出，S3和S4實現ZVS分別早于S1、S2，故稱S3、S4為右橋臂又稱超前橋臂，S1、S2為左橋臂又稱滯后臂。由表1可以看出S3、S4實現ZVS分別在(t0～t1)和(t4～t5)，S2、S1實現ZVS分別在(t2～t3)和(t6～t7)。而(t2～t3)和(t6～t7)時變壓器初級電流分別小于(t0～t1)和(t4～t5)時的初級電流，故滯后橋臂比超前橋臂實現ZVS開關困難，特別是輕載時最為明顯。

　　從理論上分析，S1、S2實現ZVS開關時，變壓器次級處于續流階段，諧振時由諧振電感釋放能量，使諧振電容電壓下降到零，從而實現ZVS，此時實現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管輸出電容非線性等效電容值，Cxfmr是變壓器繞組的分布電容。由上式可見，滯后橋臂實現ZVS主要靠諧振電感儲能，輕載時能量不夠大，因此滯后橋臂不易滿足ZVS條件。

　　S3、S4實現ZVS開關時，變壓器處于能量傳遞階段。初級電流IP=－Io/n（n為變壓器變比），初級等效電感Le=Lr＋n2LO。所以根據ZVS條件，電感能量必須大于所有參與諧振的電容能量，應有Le(Io/n)2/2>（4Coss/3＋Cxfmr)Uin2。由于Le(Io/n)2/2相當大，故即使輕載時超前橋臂也較容易滿足ZVS條件。

6移相全橋PWM控制器

　　移相全橋PWM控制技術最關鍵的是器件的導通相位能在0～180°范圍內移動，若控制不好，特別是左橋臂或右橋臂的兩個開關管同時導通，將導致災難性的后果。Unitrode公司生產的UC3875能提供0～100％占空比的控制，并且有必要的保護、譯碼及驅動功能，有四組驅動輸出，每組的延時時間可控制，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。E/A－接對應的輸出電壓和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(如初級過流信號等)，當初級過流時，C/S＋大于2?5V，UC3875停止輸出驅動信號，從而將變換器輸出關閉，防止了災難事故的發生。驅動信號由OUTA～OUTD輸出，并經TC4420擴流，由驅動變壓器去驅動S1～S4MOS管，其延時時間由UC3875的7腳、15腳外接電阻確定，實際的驅動信號時序如圖5所示。

圖5驅動信號、變壓器次級信號波形圖

7結語

(1)換向死區時間的控制對實現零電壓開關很重要。

(2)UC3875控制電路的控制部分和輸出驅動部分供電電源應分開，否則移相時將引起頻率變化。

　　(3)為了在寬范圍內實現ZVS，要在變壓器初級串一個諧振電感，但諧振電感不能太大，電感太大會帶來占空比丟失，初級電流較大，導通損耗增大，電感發熱等問題，并且效率大大降低。

　　根據中國電信總局1999年底對所有入網通信電源效率的要求：所有大于1kW的通信電源，其效率(從半載到滿載)應大于90％。解決了諧振電感的發熱損耗問題，也就解決了效率問題。也可采用全橋ZVZCSPWM電路，使超前橋臂實現ZVS，滯后橋臂實現ZCS，便可克服全橋ZVS的缺點，效率可達93％以上。

參考文獻

1 Bill Andreycaf.Phase Shifted Zero Voltage Transition Design Considerations and the UC3875 PWM Controller.Product Applicacation Handbook,1995～ 1996

2張占松,蔡宣山.開關電源原理與設計