l 移相式ZVZCSPWM軟開關(guān)電源主電路分析
在設(shè)計制作的1．2kW(480V／2．5A)的軟開關(guān)直流電源中,，其主電路為全橋變換器結(jié)構(gòu)，四只開關(guān)管均為MOSFET(1000V／24A),，采用移相ZVZCSPWM控制,，即超前臂開關(guān)管實現(xiàn)ZVS、滯后臂開關(guān)管實現(xiàn)ZCS,，電路結(jié)構(gòu)簡圖如圖l,，VT1～VT4是全橋變換器的四只MOSFET開關(guān)管,，VD1、VD2分別是超前臂開關(guān)管VT1,、VT2的反并超快恢復(fù)二極管,，C1、C2分別是為了實現(xiàn)VTl,、VT2的ZVS設(shè)置的高頻電容,，VD3、VD4是反向電流阻斷二極管,，以實現(xiàn)滯后臂VT3,、VT4的ZCS，Llk為變壓器漏感,，Cb為阻斷電容,，T為主變壓器，副邊由VD5～VD8構(gòu)成的高頻整流電路以及Lf,、C3,、C4等濾波器件組成。
其基本工作原理如下：
當開關(guān)管VT1,、VT4或VT2、VT3同時導(dǎo)通時,，電路工作情況與全橋變換器的硬開關(guān)工作模式情況一樣,，主變壓器原邊向負載提供能量。通過移相控制,，在關(guān)斷VT1時并不馬上關(guān)斷VT4,，而是根據(jù)輸出反饋信號決定的移相角，經(jīng)過一定時間后再關(guān)斷VT4,，在關(guān)斷VT1之前,，由于VT1導(dǎo)通，其并聯(lián)電容C1上電壓等于VT1的導(dǎo)通壓降,，理想狀況下其值為零,，當關(guān)斷VT1時刻，C1開始充電,，由于電容電壓不能突變,，因此，VT1即是零電壓關(guān)斷,。
由于變壓器漏感L1k以及副邊整流濾波電感的作用,，VT1關(guān)斷后，原邊電流不能突變,，繼續(xù)給Cb充電,，同時C2也通過原邊放電,，當C2電壓降到零后，VD2自然導(dǎo)通,，這時開通VT2,，則VT2即是零電壓開通。
當C1充滿電,、C2放電完畢后,，由于VD2是導(dǎo)通的，此時加在變壓器原邊繞組和漏感上的電壓為阻斷電容Cb兩端電壓,，原邊電流開始減小,，但繼續(xù)給Cb充電，直到原邊電流為零,，這時由于VD4的阻斷作用,，電容Cb不能通過VT2、VT4,、VD4進行放電,，Cb兩端電壓維持不變，這時流過VT4電流為零,，關(guān)斷VT4即是零電流關(guān)斷,。
關(guān)斷VT4以后，經(jīng)過預(yù)先設(shè)置的死區(qū)時間后開通VT3,，由于電壓器漏感的存在,，原邊電流不能突變，因此VT3即是零電流開通,。
VT2,、VT3同時導(dǎo)通后原邊向負載提供能量，一定時間后關(guān)斷VT2,，由于C2的存在,，VT2是零電壓關(guān)斷，如同前面分析,，原邊電流這時不能突變,，C1經(jīng)過VD3、VT3,、Cb放電完畢后,，VD1自然導(dǎo)通，此時開通VT1即是零電壓開通,，由于VD3的阻斷,，原邊電流降為零以后，關(guān)斷VT3,，則VT3即是零電流關(guān)斷,，經(jīng)過預(yù)選設(shè)置好的死區(qū)時間延遲后開通VT4,，由于變壓器漏感及副邊濾波電感的作用，原邊電流不能突變,，VT4即是零電流開通,。
這種采用超快恢復(fù)二極管阻斷原邊反向電流方式的移相式ZVZCS PWM全橋變換器拓撲的理想工作波形如圖2所示，其中Uab表示主電路圖3中a,、b兩點之間的電壓,，ip為變壓器T原邊電流，Ucb為阻斷電容Ub上的電壓,，Urect是副邊整流后的電壓,。
2 基于UC3875的主控制回路設(shè)計
為了實現(xiàn)主回路開關(guān)管ZVZCS軟開關(guān)，采用UC3875為其設(shè)計了PWM移相控制電路,，如圖3所示,。考慮到所選MOSFET功率比較大對芯片的四個輸出驅(qū)動信號進行了功率放大,，再經(jīng)高頻脈沖變壓器T1,、T2隔離最后經(jīng)過驅(qū)動電路驅(qū)動MOSFET開關(guān)管。整個控制系統(tǒng)所有供電均用同一個15V直流電源,，實驗中設(shè)置開關(guān)頻率為70kHz,，死區(qū)時間設(shè)置為1．5μs，采用簡單的電壓控制模式,，電源輸出直流電壓通過采樣電路,、光電隔離電路后形成控制信號，輸入到UC3875誤差放大器的EA一,，控制UC3875誤差放大器的輸出,，從而控制芯片四個輸出之間的移相角大小,，使電源能夠穩(wěn)定工作,，圖中R6、C5接在EA一和E／AOUT之間構(gòu)成PI控制,。在本設(shè)計中把CS+端用作故障保護電路,，當發(fā)生輸出過壓、輸出過流,、高頻變原邊過流,、開關(guān)管過熱等故障時，通過一定的轉(zhuǎn)換電路,，把故障信號轉(zhuǎn)換為高于2．5V的電壓接到CS+端,，使UC3875四個輸出驅(qū)動信號全為低電平，對電路實現(xiàn)保護,。
圖4是開關(guān)管的驅(qū)動電路,。隔離變壓器的設(shè)計采用AP法,、變比為l：1．3的三繞組變壓器。UC3875輸出的單極性脈沖經(jīng)過放大電路,、隔離電路和驅(qū)動電路后形成+12V／一5V的雙極性驅(qū)動脈沖,，保證開關(guān)管的穩(wěn)定開通和關(guān)斷。
3 仿真與實驗結(jié)果分析
PSpice是一款功能強大的電路分析軟件,，對開關(guān)頻率70kHz的ZVZCS軟開關(guān)電源的仿真是在PSpice9．1平臺上進行的,。
實驗樣機的主回路結(jié)構(gòu)采用圖1所示的電路拓撲，阻斷二極管采用超快恢復(fù)大功率二極管RHRG30120,，其反向恢復(fù)時間在100ns以內(nèi),，滿足70kHz開關(guān)頻率的要求。開關(guān)管MOSFET采用IXYS公司的IXFK24N100開關(guān)管,，這種型號MOS管自身反并有超快恢復(fù)二極管,，其反向恢復(fù)時間約250ns，因此主回路中超前橋臂無需另外再接反并超快恢復(fù)二極管,，VD1,、VD2就利用開關(guān)管自身的反并二極管已滿足要求，C1,、C2利用開關(guān)管的結(jié)電容,，其容值大約為8．2nF。根據(jù)實驗樣機的要求以及相關(guān)計算,，制作主變壓器時,，原、副邊變比選為1：2．6,，主變壓器的設(shè)計采用了AP法,，結(jié)合實際制作過程中的反復(fù)實驗，最后選擇型號為EE55的軟磁鐵氧體磁心作為主變壓器的磁心,，原邊10匝,，副邊26匝，導(dǎo)線均為多股漆包線,，繞制方式：最里層副邊13匝,、中間層原邊10匝、最外層副邊13匝,，變壓器原邊電感222μH,、漏感1．8μH，副邊電感1490μH,、漏感9．2μH,。副邊輸出電感的設(shè)計同樣采用AP法，鐵心采用EI型的軟磁鐵氧體，多股導(dǎo)線并繞,。
圖5是超前橋臂開關(guān)管驅(qū)動電壓與管壓降波形圖,，(a)為仿真波形、(b)為實驗波形,，可見超前臂開關(guān)管完全實現(xiàn)了ZVS開通,，VT1、VT2關(guān)斷時是依賴其自身很小的結(jié)電容來實現(xiàn)的,，從圖中可以看出,，關(guān)斷時也基本實現(xiàn)了ZVS關(guān)斷。
圖6是滯后橋臂開關(guān)管驅(qū)動電壓與電流波形圖,，(a)為仿真波形,、(b)為實驗波形；圖7是滯后臂開關(guān)管管壓降與電流波形圖,，(a)為仿真波形,、(b)為實驗波形，從圖6,、圖7可以看出滯后臂開關(guān)管VT3,、VT4很好地實現(xiàn)了ZCS關(guān)斷，關(guān)斷時開關(guān)管電流已經(jīng)為零,；滯后臂開關(guān)管完全開通之前,，開關(guān)管電流也幾乎為零，基本實現(xiàn)了ZCS開通,。而且滯后橋臂開關(guān)管VT3,、VT4可以在很大負載范圍內(nèi)實現(xiàn)ZCS開關(guān)。
圖8是兩橋臂中點之間的電壓Uab的波形圖,，(a)為仿真波形,、(b)為實驗波形。圖9是阻斷電容Cb上的電壓U曲波形,，(a)為仿真波形,、(b)為實驗波形。從圖上可以看出,，由于有Ucb的存在,，Uab不是一個方波,。當Uab=0時,，阻斷電容Cb上的電壓Ucb使原邊電流ip逐漸減小到零，由于阻斷二極管的阻斷作用,，ip不能反向流動,，從而實現(xiàn)了滯后橋臂的ZCS開關(guān)。
4 結(jié)論
本文在介紹了移相諧振控制芯片UC3875的工作特點并詳細分析了采用串聯(lián)阻斷二極管的移相式ZVZCS PWM軟開關(guān)工作特性的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一臺1．2kW,、開關(guān)頻率70kHz的全橋軟開關(guān)直流電源,，并應(yīng)用PSpice軟件進行了仿真，實驗結(jié)果與仿真結(jié)果基本符合,。實驗表明以UC3875為核心的控制部分結(jié)構(gòu)簡單可靠,，電源主電路開關(guān)管均實現(xiàn)了軟開關(guān)，并克服了單純的ZVS或ZCS軟開關(guān)模式的缺點,，可有效減小開關(guān)管開關(guān)過程引起的損耗,，有利于提高電源開關(guān)頻率，減小電源體積和重量,。