移相全橋ZVS軟開關DC－DC穩壓電源的設計與分析

吳 帆

（鹽城工學院 電氣工程學院 江蘇 鹽城224051）

1 任務來源及項目背景

某系統的功率放大器工作電壓范圍為10～50 V，配套電源系統承擔著為功放組件提供直流能量的作用，電源的性能指標直接影響系統的整機性能。目前為該系統批量生產的配套開關電源普遍采用硬開關PWM技術。在硬開關狀態下，PWM變換器隨著開關頻率的上升，開關管的開關損耗會成正比增加，使電源的效率降低，處理功率的能力減弱，電源功率密度的提高受到限制；同時還會產生嚴重的電磁干擾（EMI）噪聲，影響系統的信號質量，硬開關PWM技術已不能適應系統對電源高功率密度、高效率、低噪聲的發展要求［1］。為克服硬開關PWM技術的諸多缺點，近年來軟開關PWM技術的研究得到了迅速發展，軟開關技術可以使開關電源的損耗大大降低，可以使電源的功率密度做得更高，體積重量得以減輕，可靠性得以提高，電磁干擾也大大減小。因此采用軟開關技術的開關電源有較好的應用前景。

2 電源設計方案

該電源的主要技術指標：（1）輸入電壓：交流50 Hz，三相380 V±15%，三相五線制；（2）輸出電壓：直流40～50 V，可調；（3）功率因數≥0．86（滿載）；（4）效率≥0．91（滿載）；（5）浪涌電流（～380 V加電）：≤2．5倍最大工作電流；（6）最大輸出功率：5 kW；（7）最大輸出電流：100 A；（8）電壓調整率：≤0．1%；（9）負載調整率：≤0．5%；（10）輸出紋波噪聲：≤80 mV（峰－峰值）；（11）最大外形尺寸：高304 mm×寬144 mm×深400 mm。

設計難度在于輸出功率大、體積小、功率密度和效率要求高，紋波要求比較苛刻，這些指標要求均超過以往設計的電源指標。如果仍采用以往常用的PWM硬開關技術，是很難滿足設計要求的。在電路的選擇上，主功率變換電路采用PWM移相控制的全橋ZVS軟開關變換器，電源開關頻率選50 kHz。圖1所示為該電源原理框圖。

圖1 電源原理框圖

3 電源的主電路組成及工作原理

電源的主電路如圖2所示，由輸入整流濾波電路（含輸入電流防沖擊電路）、全橋DC／DC逆變電路、高頻變壓器、諧振電感和隔直電容、輸出整流濾波電路等部分組成。

圖2 電源主電路

3．1 輸入整流濾波電路

對三相380 V／50 Hz交流電源進行整流和濾波，EMI濾波器是三相輸入電磁干擾濾波器，用于減小電源內部噪聲對電網的干擾，同時也能抑制電網上的噪聲對電源的干擾。V5為三相整流橋。L1是輸入濾波電感，為抑制電源開機時由于電解電容瞬間充電出現的過大沖擊電流。由電阻R2和場效應管V7構成防沖擊電路，開機時，先通過限流電阻R2對輸入濾波電容C10、C11充電，使沖擊電流受到限制；同時整流后的電壓經電阻R1、R5對電容C14進行充電，當電容C14上的電壓達到場效應管V7的G－S開啟電壓時，V7飽和導通，將電阻R2短路，電源進入正常工作狀態。最后得到520 V左右的直流電壓，供給DC／DC全橋逆變電路［2］。

3．2 全橋變換器

全橋逆變電路由V1～V4四個功率開關管MOSFET組成，V1和V2分別超前于V4和V3一個相位，稱V1和V2組成的橋臂為超前橋臂，V3和V4組成的橋臂則為滯后橋臂。V10～V13分別是V1～V4的內部集成體二極管，C3、C4、C6、C7分別是 V1～V4的輸出電容，L2是諧振電感，T1是高頻變壓器，C5為隔直流電容。變換器采用零電壓移相控制方式，每個橋臂的兩個功率管成180°互補導通，兩個橋臂的導通角相差一個相位，即移相角，通過調節移相角的大小來調節輸出電壓。

3．3 高頻變壓器、諧振電感及隔直電容

高頻變壓器T1起到降壓和絕緣隔離的作用諧振電感L2實現功率開關管的零電壓開關。由于功率開關管的離散性和反饋回路引起的不對稱，全橋逆變電路的交流方波電壓中含有直流分量，如果不用隔直電容將直流分量隔去，將引起高頻變壓器磁芯單向偏磁，磁芯易飽和，可能導致全橋逆變電路的開關管燒毀。C5用來防止高頻變壓器直流磁化。電流互感器T2對開關變壓器的初級電流進行取樣，輸出信號送給控制保護電路作電流保護用。

3．4 輸出整流濾波電路

將變壓器副邊輸出的高頻交流方波電壓經過整流、濾波后電壓取樣反饋再經調節，得到穩定的50 V直流電壓。圖中V8和V9是輸出整流二極管，R6、C15和R7、C16是吸收緩沖電路，用來吸收二極管反向恢復時產生的尖峰。L3是輸出濾波電感，C8是濾波電容，L4是輸出共模濾波電感。R8是輸出直流電流取樣電阻。

4 電源的控制保護電路

電源的控制保護電路以移相控制器UC1875為核心，外加均流控制電路、過流過壓比較電路和穩壓恒流電路等組成。

4．1 均流控制電路

將輸出電流取樣信號放大后產生與輸出電流成比例的電壓信號，電壓信號與均流母線上的電壓信號比較。如果某個電源的輸出電流增大，成為N個電源中電流最大的一個，電壓信號大于均流母線上的電壓信號，該電源自動成為主電源，其他電源為從電源，均流母線上的電壓變為IOMAX，其余電源的輸出電流信號與均流母線上的電壓進行比較，通過調整運放的7腳輸出電平來改變穩壓環電壓取樣回路的分壓比，自動調整電源的輸出電壓，實現自動均流的功能。

4．2 輸出過流和輸出過壓比較電路

當出現輸出過流或過壓時，運放輸出高電平，通過二極管與過溫信號、軟起動信號等形成或門，接到UC1875的電流檢測端，使UC1875的輸出全部關斷，實現電源的保護。

4．3 穩壓電路

輸出電壓取樣信號UO經電阻分壓后送到誤差放大器的同相輸入端，電壓基準經電阻分壓后送入反相輸入端，取樣信號與基準信號比較后通過調整運放的輸出端電壓來調整UC1875運放補償端的電壓，實現穩壓的目的。

4．4 恒流電路

輸出電流采樣信號經運放、電阻分壓后送入誤差放大器的反相端，與同相端的電壓基準進行比較，當輸出電流超過恒定電流設定值時，輸出端電壓降低，使UC1875運放補償端的電壓隨之降低，通過UC1875的調整使電源工作在恒流狀態。

5 驅動電路的設計

由于高壓大電流功率場效應管的輸入電容Ciss很大，如果直接由控制芯片UC1875驅動，芯片的驅動功率較大導致芯片的損耗和溫升增加，工作可靠性降低。采用外加驅動放大電路對控制芯片提供的驅動信號進行放大，兩組三級管分別構成兩對圖騰柱，其輸出分別接驅動變壓器的初級，變壓器的次級分別驅動同一橋臂的兩個功率場效應管。雙向穩壓管分別并在四個功率場效應管的G－S間，防止G－S間過壓。由于驅動變壓器驅動同一個橋臂兩個功率管，因此要求繞組之間必須有650 V以上的絕緣電壓。

6 電路仿真

為了驗證本文基于移相全橋ZVS軟開關所設計的電源工作原理，利用PSPICE軟件對該電源電路進行了仿真，由于測試電壓電流波形時采用差分探頭，示波器顯示原邊電壓波形（圖3CH1）和原邊電流波形（圖3CH2）與實際波形相比幅值縮小100倍。

6．1 全橋變換器原邊電壓和電流

圖3（a）、（b）、（c）、（d）分別為樣機電源輸出功率1／3額定負載（33 A）、1／2額定負載（50 A）、2／3額定負載（70 A）、滿載（100 A）時全橋變換器原邊電壓和原邊電流波形。電壓電流波形與理論波形一致。從波形中可以看出，所有波形均較干凈，原邊電流由于有諧振電感的存在，沒有傳統硬開關變換器所出現的導通電流尖峰。

6．2 MOSFET驅動電壓和漏源極電壓波形

圖4（a）、（b）、（c）分別為樣機電源輸出功率1／3額定負載（33 A）、1／2額定負載（50 A）、2／3額定負載（70 A）時全橋變換器橋臂的一個MOSFET的漏源極電壓波形（圖4CH1）和驅動電壓波形（圖4CH2），從圖中可以看出，當驅動電壓變為正方向時，其漏源極電壓已經為零了，其內部寄生的反并二極管已經導通，此時開通MOSFET就是零電壓開通，這說明移相控制方案實現了開關管的零電壓開關。

圖3 全橋變換器原邊電壓和原邊電流波形

圖4 MOSFET驅動電壓和漏源極電壓波形

6．3 全橋變換器原邊電壓和副邊電壓波形

圖5（a）、（b）、（c）、（d）分別為樣機電源輸出功率1／3額定負載（33 A）、1／2額定負載（50 A）、2／3額定負載（70 A）、滿載（100 A）時全橋變換器原邊電壓（CH1）和副邊電壓（CH2）波形。從這四幅圖中可以看出，當原邊電流從零變化到正方向（或負方向）時，副邊存在占空比丟失，負載越大，副邊占空比丟失越嚴重。

7 結 論

目前該5 kW電源的樣機已交付使用，從使用的情況看，該電源的性能指標及可靠性均達到設計要求。

圖5 全橋變換器原邊電壓和副邊電壓波形

（1）體積小、重量輕、效率高

本電源的最大外形尺寸為：高304 mm×寬144 mm×深400 mm，重量17 kg，額定輸出功率5 kW，功率 密度2 8 5 W／dm3。電路設計采用PWM移相軟開關技術并適當提高電源的工作頻率，減小開關管的損耗，減小磁性元件的體積重量；合理選擇諧振電感的值，保證在1／3負載至滿載情況下變換器的開關管均可實現零電壓開關；

（2）紋波指標高

根據實測指標顯示，電源的輸出紋波峰－峰值小于70 mV，已接近常規線性穩壓電源的指標，大大優于常規PWM硬開關變換器的150～200 mV紋波指標，完全可以滿足使用要求。

（3）電磁兼容性好

由于采用PWM軟開關技術，開關頻率固定，開關管在零電壓條件下導通和關斷，減少了開關器件的di／dt與dv／dt，從而有效地降低了電路的開關損耗和開關噪聲，減少了器件開關過程中產生的電磁干擾；同時在電源的輸入端使用交流EMI濾波器，降低了電源產生的干擾噪聲對電網的影響［3］。

（4）內部模塊化設計

整個電源電路按功能不同分為輸入濾波、驅動電路、控制保護、輔助電源、電源監控等幾個相對獨立的功能塊，有利于系統的調試和維修。

（5）具有并聯自動均流功能

每個電源內部都有均流控制電路，可實現多路電源的并聯，以此組成大功率電源系統，由于采用冗余設計可以提高電源系統的可靠性。

［1］ 吳新開，楊勝強．基于軟開關技術的PWM變頻調速系統［EB／OL］．http：／／www．elecfans．com／article／83／116／2009／2009070976092．html，2009－7－9．

［2］ 鞠文耀，唐登平，趙 皊，陳善華．相控陣雷達陣面電源的設計［J］．現代雷達，2004，（6）：67－70．

［3］ 范學磊，劉 平，張本庚．280 W移相全橋軟開關DC／DC變換器設計［J］．電子設計工程，2010，（5）：117－119．