基于UC3875的ZVZCS PWM软开关直流电源的研制

1万 · 2014-5-20 23:45

目前，中、大功率开关电源的主回路基本上都是采用全桥变换器结构，其相应的软开关工作方式有三种，即零电压开关(ZVS)、零电流开关(ZCS)和零电压零电流开关(ZVZCS)。ZVS工作模式下全桥变换器的滞后臂不易实现零电压开关且存在变压器副边电压占空比丢失，ZCS工作模式下全桥变换器的滞后臂不易实现零电流开关且存在变压器副边输出电流占空比丢失，这两种电路拓扑自身的局限限制了其进一步发展的空间，虽然采用辅助电路在一定程度可以改善其特性，但是增加了元器件和电路的复杂性，而且在高频下还会引入干扰。ZVZCS软开关工作模式基本上克服了ZVS和ZCS软开关模式的固有缺陷，使全桥变换器的超前臂实现ZVS，而滞后臂实现ZCS，在中、大功率开关电源中具有广阔的应用前景。为此，本文介绍了一台采用移相谐振控制芯片UC3875作为控制核心设计的开关频率为70kHz、输出功率1．2kW、主电路为移相全桥ZVZCS PWM软开关模式的直流开关电源。

　　l 移相式ZVZCSPWM软开关电源主电路分析

　　在设计制作的1．2kW(480V／2．5A)的软开关直流电源中，其主电路为全桥变换器结构，四只开关管均为MOSFET(1000V／24A)，采用移相ZVZCSPWM控制，即超前臂开关管实现ZVS、滞后臂开关管实现ZCS，电路结构简图如图l，VT1～VT4是全桥变换器的四只MOSFET开关管，VD1、VD2分别是超前臂开关管VT1、VT2的反并超快恢复二极管，C1、C2分别是为了实现VTl、VT2的ZVS设置的高频电容，VD3、VD4是反向电流阻断二极管，以实现滞后臂VT3、VT4的ZCS，Llk为变压器漏感，Cb为阻断电容，T为主变压器，副边由VD5～VD8构成的高频整流电路以及Lf、C3、C4等滤波器件组成。

1万 · 2014-5-20 23:45

　其基本工作原理如下：

　　当开关管VT1、VT4或VT2、VT3同时导通时，电路工作情况与全桥变换器的硬开关工作模式情况一样，主变压器原边向负载提供能量。通过移相控制，在关断VT1时并不马上关断VT4，而是根据输出反馈信号决定的移相角，经过一定时间后再关断VT4，在关断VT1之前，由于VT1导通，其并联电容C1上电压等于VT1的导通压降，理想状况下其值为零，当关断VT1时刻，C1开始充电，由于电容电压不能突变，因此，VT1即是零电压关断。

　　由于变压器漏感L1k以及副边整流滤波电感的作用，VT1关断后，原边电流不能突变，继续给Cb充电，同时C2也通过原边放电，当C2电压降到零后，VD2自然导通，这时开通VT2，则VT2即是零电压开通。

　　当C1充满电、C2放电完毕后，由于VD2是导通的，此时加在变压器原边绕组和漏感上的电压为阻断电容Cb两端电压，原边电流开始减小，但继续给Cb充电，直到原边电流为零，这时由于VD4的阻断作用，电容Cb不能通过VT2、VT4、VD4进行放电，Cb两端电压维持不变，这时流过VT4电流为零，关断VT4即是零电流关断。

　　关断VT4以后，经过预先设置的死区时间后开通VT3，由于电压器漏感的存在，原边电流不能突变，因此VT3即是零电流开通。

　　VT2、VT3同时导通后原边向负载提供能量，一定时间后关断VT2，由于C2的存在，VT2是零电压关断，如同前面分析，原边电流这时不能突变，C1经过VD3、VT3、Cb放电完毕后，VD1自然导通，此时开通VT1即是零电压开通，由于VD3的阻断，原边电流降为零以后，关断VT3，则VT3即是零电流关断，经过预选设置好的死区时间延迟后开通VT4，由于变压器漏感及副边滤波电感的作用，原边电流不能突变，VT4即是零电流开通。

1万 · 2014-5-20 23:45

　其基本工作原理如下：

　　当开关管VT1、VT4或VT2、VT3同时导通时，电路工作情况与全桥变换器的硬开关工作模式情况一样，主变压器原边向负载提供能量。通过移相控制，在关断VT1时并不马上关断VT4，而是根据输出反馈信号决定的移相角，经过一定时间后再关断VT4，在关断VT1之前，由于VT1导通，其并联电容C1上电压等于VT1的导通压降，理想状况下其值为零，当关断VT1时刻，C1开始充电，由于电容电压不能突变，因此，VT1即是零电压关断。

　　由于变压器漏感L1k以及副边整流滤波电感的作用，VT1关断后，原边电流不能突变，继续给Cb充电，同时C2也通过原边放电，当C2电压降到零后，VD2自然导通，这时开通VT2，则VT2即是零电压开通。

　　当C1充满电、C2放电完毕后，由于VD2是导通的，此时加在变压器原边绕组和漏感上的电压为阻断电容Cb两端电压，原边电流开始减小，但继续给Cb充电，直到原边电流为零，这时由于VD4的阻断作用，电容Cb不能通过VT2、VT4、VD4进行放电，Cb两端电压维持不变，这时流过VT4电流为零，关断VT4即是零电流关断。

　　关断VT4以后，经过预先设置的死区时间后开通VT3，由于电压器漏感的存在，原边电流不能突变，因此VT3即是零电流开通。

　　VT2、VT3同时导通后原边向负载提供能量，一定时间后关断VT2，由于C2的存在，VT2是零电压关断，如同前面分析，原边电流这时不能突变，C1经过VD3、VT3、Cb放电完毕后，VD1自然导通，此时开通VT1即是零电压开通，由于VD3的阻断，原边电流降为零以后，关断VT3，则VT3即是零电流关断，经过预选设置好的死区时间延迟后开通VT4，由于变压器漏感及副边滤波电感的作用，原边电流不能突变，VT4即是零电流开通。

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　这种采用超快恢复二极管阻断原边反向电流方式的移相式ZVZCS PWM全桥变换器拓扑的理想工作波形如图2所示，其中Uab表示主电路图3中a、b两点之间的电压，ip为变压器T原边电流，Ucb为阻断电容Ub上的电压，Urect是副边整流后的电压。

1万 · 2014-5-20 23:47

　　2 基于UC3875的主控制回路设计

　　为了实现主回路开关管ZVZCS软开关，采用UC3875为其设计了PWM移相控制电路，如图3所示。考虑到所选MOSFET功率比较大对芯片的四个输出驱动信号进行了功率放大，再经高频脉冲变压器T1、T2隔离最后经过驱动电路驱动MOSFET开关管。整个控制系统所有供电均用同一个15V直流电源，实验中设置开关频率为70kHz，死区时间设置为1．5μs，采用简单的电压控制模式，电源输出直流电压通过采样电路、光电隔离电路后形成控制信号，输入到UC3875误差放大器的EA一，控制UC3875误差放大器的输出，从而控制芯片四个输出之间的移相角大小，使电源能够稳定工作，图中R6、C5接在EA一和E／AOUT之间构成PI控制。在本设计中把CS+端用作故障保护电路，当发生输出过压、输出过流、高频变原边过流、开关管过热等故障时，通过一定的转换电路，把故障信号转换为高于2．5V的电压接到CS+端，使UC3875四个输出驱动信号全为低电平，对电路实现保护。

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图4是开关管的驱动电路。隔离变压器的设计采用AP法、变比为l：1．3的三绕组变压器。UC3875输出的单极性脉冲经过放大电路、隔离电路和驱动电路后形成+12V／一5V的双极性驱动脉冲，保证开关管的稳定开通和关断。

1万 · 2014-5-20 23:48

　3 仿真与实验结果分析

　　PSpice是一款功能强大的电路分析软件，对开关频率70kHz的ZVZCS软开关电源的仿真是在PSpice9．1平台上进行的。

　　实验样机的主回路结构采用图1所示的电路拓扑，阻断二极管采用超快恢复大功率二极管RHRG30120，其反向恢复时间在100ns以内，满足70kHz开关频率的要求。开关管MOSFET采用IXYS公司的IXFK24N100开关管，这种型号MOS管自身反并有超快恢复二极管，其反向恢复时间约250ns，因此主回路中超前桥臂无需另外再接反并超快恢复二极管，VD1、VD2就利用开关管自身的反并二极管已满足要求，C1、C2利用开关管的结电容，其容值大约为8．2nF。根据实验样机的要求以及相关计算，制作主变压器时，原、副边变比选为1：2．6，主变压器的设计采用了AP法，结合实际制作过程中的反复实验，最后选择型号为EE55的软磁铁氧体磁心作为主变压器的磁心，原边10匝，副边26匝，导线均为多股漆包线，绕制方式：最里层副边13匝、中间层原边10匝、最外层副边13匝，变压器原边电感222μH、漏感1．8μH，副边电感1490μH、漏感9．2μH。副边输出电感的设计同样采用AP法，铁心采用EI型的软磁铁氧体，多股导线并绕。

　　图5是超前桥臂开关管驱动电压与管压降波形图，(a)为仿真波形、(b)为实验波形，可见超前臂开关管完全实现了ZVS开通，VT1、VT2关断时是依赖其自身很小的结电容来实现的，从图中可以看出，关断时也基本实现了ZVS关断。

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　图6是滞后桥臂开关管驱动电压与电流波形图，(a)为仿真波形、(b)为实验波形；图7是滞后臂开关管管压降与电流波形图，(a)为仿真波形、(b)为实验波形，从图6、图7可以看出滞后臂开关管VT3、VT4很好地实现了ZCS关断，关断时开关管电流已经为零；滞后臂开关管完全开通之前，开关管电流也几乎为零，基本实现了ZCS开通。而且滞后桥臂开关管VT3、VT4可以在很大负载范围内实现ZCS开关。

　　图8是两桥臂中点之间的电压Uab的波形图，(a)为仿真波形、(b)为实验波形。图9是阻断电容Cb上的电压U曲波形，(a)为仿真波形、(b)为实验波形。从图上可以看出，由于有Ucb的存在，Uab不是一个方波。当Uab=0时，阻断电容Cb上的电压Ucb使原边电流ip逐渐减小到零，由于阻断二极管的阻断作用，ip不能反向流动，从而实现了滞后桥臂的ZCS开关。