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主直流穩(wěn)壓電源電路分析

這款軟開(kāi)關(guān)直流穩(wěn)壓電源采用了全橋變換器結(jié)構(gòu)，使用MOSFET作為開(kāi)關(guān)管來(lái)使用，參數(shù)為1000V/24A。采用移相ZVZCSPWM控制，即超前臂開(kāi)關(guān)管實(shí)現(xiàn)ZVS、滯后臂開(kāi)關(guān)管實(shí)現(xiàn)ZCS。直流穩(wěn)壓電源電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1，VT1~VT4是全橋變換器的四只MOSFET開(kāi)關(guān)管，VD1、VD2分別是超前臂開(kāi)關(guān)管VT1、VT2的反并超快恢復(fù)二極管，C1、C2分別是為了實(shí)現(xiàn)VTl、VT2的ZVS設(shè)置的高頻電容，VD3、VD4是反向直流穩(wěn)壓電源電流阻斷二極管，用來(lái)實(shí)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)成的高頻整流直流穩(wěn)壓電源電路以及Lf、C3、C4等濾波器件組成。

直流穩(wěn)壓電源基本工作原理如下：

當(dāng)開(kāi)關(guān)管VT1、VT4或VT2、VT3同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，直流穩(wěn)壓電源電路工作情況與全橋變換器的硬開(kāi)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(guò)移相控制，在關(guān)斷VT1時(shí)并不馬上關(guān)斷VT4，而是根據(jù)輸出反饋信號(hào)決定移相角，經(jīng)過(guò)一定時(shí)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上直流穩(wěn)壓電源電壓等于VT1的導(dǎo)通壓降，理想狀況下其值為零，當(dāng)關(guān)斷VT1時(shí)刻，C1開(kāi)始充電，由于電容直流穩(wěn)壓電源電壓不能突變，因此，VT1即是零直流穩(wěn)壓電源電壓關(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，原邊直流穩(wěn)壓電源電流不能突變，繼續(xù)給Cb充電，同時(shí)C2也通過(guò)原邊放電，當(dāng)C2直流穩(wěn)壓電源電壓降到零后，VD2自然導(dǎo)通，這時(shí)開(kāi)通VT2，則VT2即是零直流穩(wěn)壓電源電壓開(kāi)通。

當(dāng)C1充滿(mǎn)電、C2放電完畢后，由于VD2是導(dǎo)通的，此時(shí)加在變壓器原邊繞組和漏感上的直流穩(wěn)壓電源電壓為阻斷電容Cb兩端直流穩(wěn)壓電源電壓，原邊直流穩(wěn)壓電源電流開(kāi)始減小，但繼續(xù)給Cb充電，直到原邊直流穩(wěn)壓電源電流為零，這時(shí)由于VD4的阻斷作用，電容Cb不能通過(guò)VT2VT4、VD4進(jìn)行放電，Cb兩端直流穩(wěn)壓電源電壓維持不變，這時(shí)流過(guò)VT4直流穩(wěn)壓電源電流為零，關(guān)斷VT4即是零直流穩(wěn)壓電源電流關(guān)斷。

關(guān)斷VT4以后，經(jīng)過(guò)預(yù)先設(shè)置的死區(qū)時(shí)間后開(kāi)通VT3，由于直流穩(wěn)壓電源電壓器漏感的存在，原邊直流穩(wěn)壓電源電流不能突變，因此VT3即是零直流穩(wěn)壓電源電流開(kāi)通。

VT2、VT3同時(shí)導(dǎo)通后原邊向負(fù)載提供能量，一定時(shí)間后關(guān)斷VT2。由于C2的存在，VT2是零直流穩(wěn)壓電源電壓關(guān)斷，如同前面分析，原邊直流穩(wěn)壓電源電流這時(shí)不能突變，C1經(jīng)過(guò)VD3、VT3。Cb放電完畢后，VD1自然導(dǎo)通，此時(shí)開(kāi)通VT1即是零直流穩(wěn)壓電源電壓開(kāi)通，由于VD3的阻斷，原邊直流穩(wěn)壓電源電流降為零以后，關(guān)斷VT3，則VT3即是零直流穩(wěn)壓電源電流關(guān)斷，經(jīng)過(guò)預(yù)選設(shè)置好的死區(qū)時(shí)間延遲后開(kāi)通VT4，由于變壓器漏感及副邊濾波電感的作用，原邊直流穩(wěn)壓電源電流不能突變，VT4即是零直流穩(wěn)壓電源電流開(kāi)通。

ZVZCS PWM全橋變換器拓?fù)涞睦硐牍ぷ鞑ㄐ稳鐖D2所示，其中Uab表示主直流穩(wěn)壓電源電路圖3中a、b兩點(diǎn)之間的直流穩(wěn)壓電源電壓，ip為變壓器T原邊直流穩(wěn)壓電源電

流，Ucb為阻斷電容Ub上的直流穩(wěn)壓電源電壓，Urect是副邊整流后的直流穩(wěn)壓電源電壓。

UC3875的直流穩(wěn)壓電源主控制回路設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)主回路開(kāi)關(guān)管ZVZCS軟開(kāi)關(guān)，采用UC3875為其設(shè)計(jì)了PWM移相控制直流穩(wěn)壓電源電路，如圖3所示。考慮到所選MOSFET功率比較大，對(duì)芯片的四個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)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(guò)驅(qū)動(dòng)直流穩(wěn)壓電源電路驅(qū)動(dòng)MOSFET開(kāi)關(guān)管。

 

整個(gè)控制系統(tǒng)所有供電均用同一個(gè)15V直流直流穩(wěn)壓電源，實(shí)驗(yàn)中設(shè)置開(kāi)關(guān)頻率為70kHz，死區(qū)時(shí)間設(shè)置為1.5μs，采用簡(jiǎn)單的直流穩(wěn)壓電源電壓控制模式，直流穩(wěn)壓電源輸出直流直流穩(wěn)壓電源電壓通過(guò)采樣直流穩(wěn)壓電源電路、光電隔離直流穩(wěn)壓電源電路后形成控制信號(hào)，輸入到UC3875誤差放大器的EA，控制UC3875誤差放大器的輸出，從而控制芯片四個(gè)輸出之間的移相角大小，使直流穩(wěn)壓電源能夠穩(wěn)定工作，圖中R6、C5接在EA和E/AOUT之間構(gòu)成PI控制。在本設(shè)計(jì)中把CS+端用作故障保護(hù)直流穩(wěn)壓電源電路，當(dāng)發(fā)生輸出過(guò)壓、輸出過(guò)流、高頻變?cè)呥^(guò)流、開(kāi)關(guān)管過(guò)熱等故障時(shí)，通過(guò)一定的轉(zhuǎn)換直流穩(wěn)壓電源電路，把故障信號(hào)轉(zhuǎn)換為高于2.5V的直流穩(wěn)壓電源電壓接到CS+端，使UC3875四個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)全為低電平，對(duì)直流穩(wěn)壓電源電路實(shí)現(xiàn)保護(hù)。

圖4是開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)直流穩(wěn)壓電源電路。隔離變壓器的設(shè)計(jì)采用AP法，變比為1:1.3的三繞組變壓器。UC3875輸出的單極性脈沖經(jīng)過(guò)放大直流穩(wěn)壓電源電路、隔離直流穩(wěn)壓電源電路和驅(qū)動(dòng)直流穩(wěn)壓電源電路后形成+12V/一5V的雙極性驅(qū)動(dòng)脈沖，保證開(kāi)關(guān)管的穩(wěn)定開(kāi)通和關(guān)斷。

 

仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

PSpice是一款功能強(qiáng)大的直流穩(wěn)壓電源電路分析軟件，對(duì)開(kāi)關(guān)頻率70kHz的ZVZCS軟開(kāi)關(guān)直流穩(wěn)壓電源的仿真是在PSpice9.1平臺(tái)上進(jìn)行的。

實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的主回路結(jié)構(gòu)采用圖1所示的直流穩(wěn)壓電源電路拓?fù)洌钄喽O管采用超快恢復(fù)大功率二極管RHRG30120，其反向恢復(fù)時(shí)間在100ns以?xún)?nèi)，滿(mǎn)足70kHz開(kāi)關(guān)頻率的要求。開(kāi)關(guān)管MOSFET采用IXYS公司的IXFK24N100開(kāi)關(guān)管，這種型號(hào)MOS管自身反并有超快恢復(fù)二極管，其反向恢復(fù)時(shí)間約250ns。

圖5是超前橋臂開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)直流穩(wěn)壓電源電壓與管壓降波形圖，(a)為仿真波形、(b)為實(shí)驗(yàn)波形，可見(jiàn)超前臂開(kāi)關(guān)管完全實(shí)現(xiàn)了ZVS開(kāi)通，VT1、VT2關(guān)斷時(shí)是依賴(lài)其自身很小的結(jié)電容來(lái)實(shí)現(xiàn)的，從圖中可以看出，關(guān)斷時(shí)也基本實(shí)現(xiàn)了ZVS關(guān)斷。

圖6是滯后橋臂開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)直流穩(wěn)壓電源電壓與直流穩(wěn)壓電源電流波形圖，(a)為仿真波形、(b)為實(shí)驗(yàn)波形;

圖7是滯后橋臂開(kāi)關(guān)管管壓降與直流穩(wěn)壓電源電流波形圖，(a)為仿真波形、(b)為實(shí)驗(yàn)波形。

從圖6、圖7可以看出滯后臂開(kāi)關(guān)管VT3、VT4很好地實(shí)現(xiàn)了ZCS關(guān)斷，關(guān)斷時(shí)開(kāi)關(guān)管直流穩(wěn)壓電源電流已經(jīng)為零。滯后臂開(kāi)關(guān)管完全開(kāi)通之前，開(kāi)關(guān)管直流穩(wěn)壓電源電流也幾乎為零，基本實(shí)現(xiàn)了ZCS開(kāi)通。而且滯后橋臂開(kāi)關(guān)管VT3、VT4可以在很大負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)ZCS開(kāi)關(guān)。

圖8是兩橋臂中點(diǎn)之間的直流穩(wěn)壓電源電壓Uab的波形圖，(a)為仿真波形、(b)為實(shí)驗(yàn)波形。

從上圖可以看出，由于有Ucb的存在，Uab不是一個(gè)方波。當(dāng)Uab=0時(shí)，阻斷電容Cb上的直流穩(wěn)壓電源電壓Ucb使原邊直流穩(wěn)壓電源電流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(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)了滯后橋臂的ZCS開(kāi)關(guān)。

綜上所述，我們能夠發(fā)現(xiàn)，直流穩(wěn)壓電源采用UC3875作為核心控制器件的好處是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠。并且主直流穩(wěn)壓電源電路的開(kāi)關(guān)管全部實(shí)現(xiàn)了軟開(kāi)關(guān)，同時(shí)還避免了ZVS以及ZCS模式當(dāng)中常見(jiàn)的一些錯(cuò)誤。能夠顯著的減少在開(kāi)關(guān)過(guò)程當(dāng)中開(kāi)關(guān)管發(fā)生的損耗，進(jìn)而提高開(kāi)關(guān)頻率，減少直流穩(wěn)壓電源的體積并減輕重量。