目前，中、大功率開關(guān)電源的主回路基本上都是采用全橋變換器結(jié)構(gòu)，其相應(yīng)的軟開關(guān)工作方式有三種，即零電壓開關(guān)(ZVS),、零電流開關(guān)(ZCS)和零電壓零電流開關(guān)(ZVZCS)。ZVS工作模式下全橋變換器的滯后臂不易實現(xiàn)零電壓開關(guān)且存在變壓器副邊電壓占空比丟失,，ZCS工作模式下全橋變換器的滯后臂不易實現(xiàn)零電流開關(guān)且存在變壓器副邊輸出電流占空比丟失,，這兩種電路拓?fù)渥陨淼木窒尴拗屏似溥M(jìn)一步發(fā)展的空間，雖然采用輔助電路在一定程度可以改善其特性,，但是增加了元器件和電路的復(fù)雜性,，而且在高頻下還會引入干擾。ZVZCS軟開關(guān)工作模式基本上克服了ZVS和ZCS軟開關(guān)模式的固有缺陷,，使全橋變換器的超前臂實現(xiàn)ZVS,，而滯后臂實現(xiàn)ZCS,，在中、大功率開關(guān)電源中具有廣闊的應(yīng)用前景,。為此，本文介紹了一臺采用移相諧振控制芯片UC3875作為控制核心設(shè)計的開關(guān)頻率為70kHz,、輸出功率1．2kW,、主電路為移相全橋ZVZCS PWM軟開關(guān)模式的直流開關(guān)電源。
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(dāng)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(fù)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(dāng)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,。
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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(dāng)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(dāng)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(jìn)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(fù)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?fù)涞睦硐牍ぷ鞑ㄐ稳鐖D2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,。
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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(jìn)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(hù)電路，當(dāng)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(hù),。
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,。
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3 仿真與實驗結(jié)果分析
PSpice是一款功能強(qiáng)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(jìn)行的。
實驗樣機(jī)的主回路結(jié)構(gòu)采用圖1所示的電路拓?fù)?，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(jī)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,。
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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(fù)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(dāng)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(xì)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(jìn)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。