基于UCC28950的ZVS全橋移相變換器設計

王家校

（杭州士蘭微電子股份有限公司，杭州 310000）

基于UCC28950的ZVS全橋移相變換器設計

王家校

（杭州士蘭微電子股份有限公司，杭州 310000）

采用 UCC28950設計了全橋移相變換器變換器，實現了超前橋臂、滯后臂的零電壓開關（ZVS），具有結構簡單、占空比丟失較小、軟開關較容易實現等特點。首先全面分析了次變換器的工作原理、討論實現軟開關的條件，設計了主要參數，然后利用 PSIM 仿真軟件對電路進行仿真，最后通過實際設計的5kW大功率AC/DC開關電源變換器，驗證了參數設計合理。

全橋移相；零電壓開關；仿真；變換器

人們在使用大功率開關電源等AC-DC、DC-DC等變換器的同時對其性能提出了更高的要求，如效率、電磁干擾、功率密度和可靠性等，提高開關頻率是改善這些性能最直接、最有效的手段，而開關頻率的提高會帶來功率管開關損耗大幅增加，這些將以熱的形式表現出來［1］，為了尋求解決工作頻率高時開關損耗大的問題，目前國內外普遍采用軟開關技術，而移相全橋作為軟開關技術中的一種，在眾多拓撲中脫穎而出，它既適用于中大功率的場合，也避免開關損耗急劇增加［2］。因此越來越多的被國內外的專家、學者所提倡，也越來越多的被工廠、企業應用到新產品的研發和生產中，已成為一個亮點。

本文將采用TI公司生產的UCC28950作為移相全橋變換器控制器，采用其超前橋臂、滯后橋臂同時實現ZVS，其拓撲具有結構簡單、占空比丟失較小、較容易實現軟開關等特點［3］。重點分析了 ZVS移相全橋變換器的工作原理、詳細討論了軟開關實現的條件，主要參數，并用仿真工具 PSIM對其進行了仿真，最后通過樣機驗證設計的合理性。

1 原理與設計

1.1 拓撲結構及主要波形［4-5］

圖1 ZVS變換器拓撲圖

移相全橋ZVS變換器拓撲圖如圖1所示，其中主回路的超前橋臂由Q1和Q3構成，滯后橋臂由Q2和 Q4構成，D1—D4分別為 Q1—Q4的續流二極管，C1—C4分別是 Q1—Q4的寄生電容或外接電容，Lr是諧振電感，包括變壓器的漏感，每對橋臂的兩個開關管 180°互補導通，其相應驅動信號之間相差一個相位，即移相角其中δ 越大輸出電壓越低，反之越小輸出電壓越高［6］。所以可以通過調節移相角的大小來調節輸出電壓。

1.2 原理分析及計算［7］

在分析之前先對全橋移相進行如下假設［8］:

1）所有的開關管及二極管均為理想器件。

2）所有電感、電容和變壓器均為理想器件。

3）輸出濾波電感足夠大，可看作恒流源。

4）C1=C3=Clead，C2=C4=Clag。

5）Lf>>Lr/K2，K為變壓器原副邊匝比。

從圖2主要波形圖可以看出電路在一個開關周期中共有12種工作狀態。分別作詳細說明。

圖2 主要波形

1）工作狀態0，t0時刻前Q1和Q4導通，原邊電流Ip經Q1，Kr，T1原邊，Q4回到電源負端。

2）工作狀態1［t0，t1］，t0時刻關斷Q1，Ip從Q1轉移到C3和C1，給C1充電，同時C3放電。因此有

3）工作狀態2［t1，t2］，D3導通后，Q3開通但無電流，ip流經D3，所以Q3為零電壓開通。此時Q3、 Q1的驅動信號死區td（lead）＞t01，即折算到原邊電感的電流為

4）工作狀態3［t2，t3］，t2時刻Q4關斷，ip經C2、C4兩條路徑，即ip給C2放電，給C4充電，因此Q4為零電壓關斷。此時 Vab=-Vc4，并直接加在了諧振電感Lr上，因此Lr，C2和C4是工作在諧振下的。所以:

在工作狀態3的持續時間為

5）工作狀態4［t3，t4］，t3時刻，D2導通，Q2電壓零電壓開通，此時 Q2、Q4的驅動信號死區 td（lag）＞t23，即此時電壓Vin全部落在Lr兩端，ip線性下降，大小為

折算到原邊電感的電流為

6）工作狀態 5［t4，t5］，t4時刻 ip雖正直過零，但變壓器原邊繞組電壓仍處于零，此時諧振電感兩端電壓為Vin，ip反向增加，大小

t5時，原邊電流負載電流次工作狀態結束，持續時間為

7）工作狀態6［t5，t6］，這時間段，電壓供電給負載，此時原邊電流為

在t6時刻，Q3關斷，變換器開始對稱的另一個半周期工作，情況完全等同于上半周期［7］。

1.3 控制系統的設計

UCC28950相移控制器是 TI公司的 UCCx895系列相移控制器工業標準基礎上對功能進行優化提高而推出的新產品，可以為當今高性能要求的電源系統提供最高的頻率轉換效率，UCC28950應用了先進的全橋控制和主動的同步整流輸出控制，初級信號允許編程延遲來確保在寬負載電流和輸入電壓范圍內ZVS（零電壓切換）能正常運行，而負載電流自然地調整次級同步整流器開關延遲時間，最終實現效率達到最大［9］。

圖3 UCC28950內部電路框圖

本文以UCC28950作為主控器，用DSP完成輸出電壓調節，輸出電流調節，溫度保護及故障輸出等功能，各參數通過數碼管顯示，并留有串行通信接口，方便在線調試和特殊參數設計。

UCC28950具備電壓方式控制（VSM）和電流控制（CSM）兩種工作模式，其中電流控制模式（CSM）具有防止變壓器偏磁功能［10］，本設計中采用后者，主回路負責功率轉換的IGBT模塊采用國產杭州士蘭微股份有限公司生產的SGM50HF12A3V2，功能上能滿足要求，可靠性好，價格相對實惠。IGBT驅動卡，采用TI的高速隔離驅動芯片ISO5500，同時使用德國 VAC變壓器作為隔離電源，性能可靠。

2 仿真與實驗

2.1 參數仿真

主電路仿真條件:PSIM9.03，輸入直流電壓Vin=500V，輸出直流電壓 Vo=250V，變壓器原副邊變比K=2，計算得到:輸出濾波電感Lf=140μH，輸出濾波電容CL=2000μF，諧振電感Lr=5μF，開關頻率f =50kHz，超前臂電容C1=C3=1800pF，滯后臂電容C2=C4=3600pF。

圖4 仿真模型

圖5 仿真波形

2.2 實驗測試

搭建完成樣機如圖6所示，輸入三相AC 380V，此時直流電壓540V，輸出直流電壓 Vo=0～250V，輸出電流 Io=0～20A，額定最大輸出功率 Vop=VoIo= 5kW，設定整機輸出效率91%，計算設定開關頻率變壓器原副邊變比取 K=14/8；同仿真時參數選取輸出濾波電感Lf=140μH，輸出濾波電容CL=2000μF，諧振電感Lr=5μF，超前臂電容C1=C3=1800pF，滯后臂電容 C2=C4=3600pF。其中:ΔV輸出端整流管、繞組和線路壓降的總和，σm為最大占空比。

圖6 樣機

圖7 實測波形

其中通道1為變壓器原邊電壓Vab，通道3為變壓器原邊電流Ip，通道4為變換器的直流輸出電壓Vo。

2.3 結果與分析

通過仿真波形圖5可以看出，仿真結果和理論分析的主要波形圖2基本一致，此仿真模型及仿真方法是可行的，通過按照理論計算得到的數據設計的大功率DC/DC開關電源變換器實測如圖7所示的波形可以看出，實際測試的波形變壓器原邊電壓Vab，原邊電流Ip和理論及仿真波形基本一致，且變換器的直流輸出電壓Vo波形達到理想輸出，如圖7所示實測波形通過圖4所示。這說明了用本方法仿真設計全橋移相變換器是切實可行的，并對產品的設計具有實際的指導意義。

3 結論

本文介紹了采用UCC28950作為控制器的移相全橋ZVS變換器的工作原理、實現全橋移相軟開關的條件，對ZVS變換器的主要電路參數進行了設計，并利用 PSIM軟件對主回路及控制進行閉環仿真，仿真結果與理論分析基本一致，最后通過實際電路做成最大輸出5kW的開關電源進行了測試，實際測試波形與理論分析及仿真波形基本一致，這證明了此方法設計參數的正確性，同時也驗證了該電路的超前、滯后臂能夠同時實現零電壓開關，可以大大減小開關損耗，有利于充分提高開關頻率，對產品的設計具有實際的指導意義。

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Design of a ZVS Phase-Shifted Full Bridge Converter based on UCC28950

Wang Jiaxiao
（Hangzhou Silan Microelectronics Co.，Ltd，Hangzhou 310000）

Used UCC28950 to designing phase-shifted full-bridge converter transformer，achieved the leading-leg and the lagging-led zero voltage switching，which the structure was simple and duty cycle loss was small and the soft switching was easy to implement and so on.First，it was analyzed its principle from all around，and discussed the condition of achieving soft switching designs the main parameters，then was simulated it by using PSIM software.The results prove that parameters are designed reasonably to actual design of 5kW high-power AC/DC switching power converter.

phase shifted full bridge；ZVS；simulation；convertor

王家校（1981-），男，浙江杭州人，研究生，工程師，研究方向為電力電子，EMC及嵌入式控制系統。