基于移相全桥环路参数计算的研究

发表时间:2020/6/16   来源:《当代电力文化》2019年第22期   作者:吕翔宙 刘建军通讯作者
[导读] 功率变换器是应用电力电子器件将一种电能转变为另一种或多种形式电能的装置。按转换电能的种类可分为四种类型:即:交流-直流变换AC-DC(整流)、直流-交流变换DC-AC(逆变)、直流-直流变换DC-DC(斩波)、交流-交流换AC-AC(交交变频)。
        功率变换器是应用电力电子器件将一种电能转变为另一种或多种形式电能的装置。按转换电能的种类可分为四种类型:即:交流-直流变换AC-DC(整流)、直流-交流变换DC-AC(逆变)、直流-直流变换DC-DC(斩波)、交流-交流换AC-AC(交交变频)。全桥移相软开关则属于直流变换器的一种。
        在常规的DC-DCPWM变换器中,功率开关管在电压不为零时导通,在电流不为零时关断,处于强迫开关过程,这种开关过程又称为硬开关(hardswitching)过程。在硬开关下工作的DC-DC PWM变换器,随着开关频率的上升,一方面开关管的开关损耗会成正比地上升,使电路的效率大大降低;另一方面,会产生严重的电磁干扰(EMI)噪声。
基于这样的问题,为了克服前述DC-DCPWM变换器在硬开关状态下工作的诸多问题,软开关技术得到了深入广泛的研究并在近些年得到了迅速发展。
1.软开关功率变换电路
        所谓软开关是指零电压开关ZVS(zero voltages witching)和零电流开关ZCS(zero current switehing)。对于硬开关和软开关,一般的理解是:硬开关过程是通过突变的开关过程中断功率流完成能量的变换过程;而软开关过程是通过电感L和电容C的谐振,使开关器件中电流或(两端电压)按正弦或准正弦规律变化,当电流自然过零时,使器件关断,当电压下降到零时,使器件开通。开关器件在零电压或零电流条件下完成导通与关断的过程,将使器件的开关损耗在理论上为零。
        在ZVS-PWM变换器和ZCS-PWM变换器中,谐振电感串联在主功率回路中,因此电路中总是存在着很大的环流能量,这不可避免地增加了电路的导通损耗;另外,电感储能与输入电压和输出负载有很大关系,这使得电路的软开关条件极大地依赖于输入电源和输出负载的变化。为了解决这些问题,零电压转换(ZVT)PWM变换器和零电流转换(ZCT)PWM变换器被提出。在这种类型的电路中,辅助谐振电路与主功率开关管相并联,电路中环流能量被自动地保持在较小的数值,且软开关条件与输入电压和输出负载的变化无关。上述各种软开关变换技术在实际的DC-DCPWM变换器的设计上正在获得越来越广泛的应用,比较典型的有:零电压开关或零电流开关的正激、反激或正反激组合式变换电路,全桥移相式ZVS变换器,全桥移相式ZCS变换器,全桥移相式ZVZCS变换器等,所有这些应用表现了软开关技术在DC-DCPWM变换器中良好的应用前景。
2.移相全桥环路控制设计
        控制电路的核心是美国Unitrode公司生产的专用电源模块UC3895,它主要包括以下九个方面的功能:工作电源、基准电源、振荡器、锯齿波、误差放大器和软动、移相控制信号发生电路、过流保护、死区时间设置、输出级。
        硬开关功率变换器虽然比传统的可控硅电源有所改进,但由于其功率开关管工作在硬开关条件下,必然带来过大的开关损耗,功率管的散热将是一个棘手的问题,同时变换器的效率也受到较大限制。而本章要制作的通讯开关电源,采用的是移相控制零电压软开关技术,因而损耗小,开关频率得以大大提高,变压器也由传统笨重的普通变压器演变为轻巧的高频变压器。从而电源的重量得以大大减轻。采用ZVS PWM全桥变换器拓扑,完成主电路参数的计算,其主要的技术指标为:
输入电压:270Vdc;
输出电压:22~29Vdc;
输出电流:额定44A±5%;
输出功率:1.5kW max。
本文考虑在负载动态性能要求不高情况下,控制方式采用电压型控制;二次侧全波整流方式,如下图所示:




图 1UCC3895典型接线及主功率拓扑
关键参数计算:
1.R53、C22计算(确定开关频率)

2.死区时间的设计
由于超前桥臂没有辅助谐振网络的电流增强效应,超前桥臂并联电容的充放电电流取决于伏在电流的大小。它在轻载和空载时,难以实现零电压开关,计算表明需要在负载电流大于三分之一满载时,才能实现ZVS。因此,为了在超前桥臂开通之前,它的并联电容电荷完全放完,超前桥臂的死区时间应适当的取得长一些,它得最大值取决于副边得占空比。在输入电压最低、输出电压最高时得副边占空比最大值为0.8,所以超前桥臂得死区时间最大值为:



3.结论
本文利用UCC3895芯片设计了移相全桥的控制及驱动环路,对各个环节的关键参数进行了系统的详细的计算,在整个开关电源设计中,包括了主电路的拓扑设计和外围电路设计,主电路设计、驱动电路设计、采样电路设计,通过这样系统的设计方式可以大大缩短设计周期,为相关的产品设计提供可靠的数据参考,避免设计缺陷,同时为产品器件选型也会有很大帮助。


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