摘要：介紹移相全橋ZVS變換器的原理,，并用UC3875控制器研制成功3kW移相全橋零電壓高頻通信開關(guān)電源。

1引言

　　傳統(tǒng)的全橋PWM變換器適用于輸出低電壓(例如5V),、大功率(例如1kW)的情況,，以及電源電壓和負載電流變化大的場合,。其特點是開關(guān)頻率固定，便于控制,。為了提高變換器的功率密度,，減少單位輸出功率的體積和重量，需要將開關(guān)頻率提高到1MHz級水平,。為避免開關(guān)過程中的損耗隨頻率增加而急劇上升,，在移相控制技術(shù)的基礎(chǔ)上，利用功率MOS管的輸出電容和輸出變壓器的漏電感作為諧振元件,，使全橋PWM變換器四個開關(guān)管依次在零電壓下導(dǎo)通,，實現(xiàn)恒頻軟開關(guān)，這種技術(shù)稱為ZVS零電壓準諧振技術(shù),。由于減少了開關(guān)過程損耗，可保證整個變換器總體效率達90％以上,，我們以Unitrode公司UC3875為控制芯片研制了零電壓準諧振高頻開關(guān)電源樣機,。本文就研制過程，研制中出現(xiàn)的問題及其改進進行論述,。

2準諧振開關(guān)電源的組成

　　ZVS準諧振高頻開關(guān)電源是一個完整的閉環(huán)系統(tǒng),，它包括主電路、控制電路及CPU通訊和保護電路,，如圖1所示,。

　　從圖1可以看出準諧振開關(guān)電源的組成與傳統(tǒng)PWM開關(guān)電源的結(jié)構(gòu)極其相似，不同的是它在DC/DC變換電路中采用了軟開關(guān)技術(shù),，即準諧振變換器（QRC）,。它是在PWM型開關(guān)變換器基礎(chǔ)上適當(dāng)?shù)丶由现C振電感和諧振電容而形成的，由于運行中,，工作在諧振狀態(tài)的時間只占開關(guān)周期的一部分,，其余時間都是運行在非諧振狀態(tài)，所以稱為“準諧振”變換器,。準揩振變換器又分為兩種,，一種是零電流開關(guān)（ZCS）,一種是零電壓開關(guān)（ZVS），零電流開關(guān)準諧振變換器的特點是保證運行中的開關(guān)管在斷開信號到來之前,，管中電流下降到零,。零電壓開關(guān)準諧振的特點是保證運行中的開關(guān)管在開通信號到來之前，管子兩端的電壓已經(jīng)下降到零,。

3零電壓準諧振變換器的工作原理

　　全橋零電壓準諧振變換器的主電路如圖2所示,。Uin為PFC電路輸出的直流電壓(400V)，S1～S4為功率開關(guān)管,，其體二極管為D1～D4,，圖中未畫出其體電容C1～C4,，Lr為變壓器T1初級串聯(lián)諧振電感，（包括變壓器的漏感）,，C為防止變壓器因偏磁而飽和的隔直電容,，T2為電流互感器，用于檢測,。當(dāng)變換器過流時,，保護電路切斷驅(qū)動信號，保護功率器件,。變壓器次級電壓經(jīng)過D5,、D6整流和輸出LC濾波器給負載供電。圖3給出了變壓器初級電壓UP,、次級電壓US和初級電流ip的波形圖,。ZVS變換器一周期內(nèi)可分為六個運行模式，如表1所示,。圖3中設(shè)t表1ZVS變換器一周期內(nèi)運行模式

圖13kW通信開關(guān)電源方框圖

圖2移相全橋ZVS變換器控制和輸出電路原理圖

圖3全橋ZVSPWM變換器的主要波形

圖4移相PWM轉(zhuǎn)換器控制和驅(qū)動原理圖

4占空比分析

　　由波形圖可見,，由于變換器存在漏電感，使初級電流在t1～t3階段,，有一定斜率,，因此次級電壓占空比(t4－t3)/(t4－t0)小于初級電壓占空比(t4－t1)/(t4－t0)，造成占空比損失,。開關(guān)頻率越高,，占空比損失越大。

5移相全橋兩橋臂開關(guān)管實現(xiàn)ZVS的條件

　　由表1和圖3可以看出,，S3和S4實現(xiàn)ZVS分別早于S1,、S2，故稱S3,、S4為右橋臂又稱超前橋臂,，S1、S2為左橋臂又稱滯后臂,。由表1可以看出S3,、S4實現(xiàn)ZVS分別在(t0～t1)和(t4～t5)，S2,、S1實現(xiàn)ZVS分別在(t2～t3)和(t6～t7),。而(t2～t3)和(t6～t7)時變壓器初級電流分別小于(t0～t1)和(t4～t5)時的初級電流，故滯后橋臂比超前橋臂實現(xiàn)ZVS開關(guān)困難,，特別是輕載時最為明顯,。

　　從理論上分析，S1,、S2實現(xiàn)ZVS開關(guān)時,，變壓器次級處于續(xù)流階段,，諧振時由諧振電感釋放能量，使諧振電容電壓下降到零,，從而實現(xiàn)ZVS,，此時實現(xiàn)ZVS條件為：電感能量必須大于所有參與諧振的電容能量。即

LrIp2/2>(4Coss/3＋Cxfmr)×U2in

式中：4Coss/3是考慮MOS管輸出電容非線性等效電容值,，Cxfmr是變壓器繞組的分布電容,。由上式可見，滯后橋臂實現(xiàn)ZVS主要靠諧振電感儲能,，輕載時能量不夠大,，因此滯后橋臂不易滿足ZVS條件。

　　S3,、S4實現(xiàn)ZVS開關(guān)時,，變壓器處于能量傳遞階段。初級電流IP=－Io/n（n為變壓器變比）,，初級等效電感Le=Lr＋n2LO,。所以根據(jù)ZVS條件，電感能量必須大于所有參與諧振的電容能量,，應(yīng)有Le(Io/n)2/2>（4Coss/3＋Cxfmr)Uin2。由于Le(Io/n)2/2相當(dāng)大,，故即使輕載時超前橋臂也較容易滿足ZVS條件,。

6移相全橋PWM控制器

　　移相全橋PWM控制技術(shù)最關(guān)鍵的是器件的導(dǎo)通相位能在0～180°范圍內(nèi)移動，若控制不好,，特別是左橋臂或右橋臂的兩個開關(guān)管同時導(dǎo)通,，將導(dǎo)致災(zāi)難性的后果。Unitrode公司生產(chǎn)的UC3875能提供0～100％占空比的控制,，并且有必要的保護,、譯碼及驅(qū)動功能，有四組驅(qū)動輸出,，每組的延時時間可控制,，其控制電路如圖4所示。E/A＋接固定的25V電壓（VREF=5V,R5,、R9為10kΩ),，作電壓給定信號。E/A－接對應(yīng)的輸出電壓和EA＋比較,，從而控制OUTA～OUTD的相位,，最終控制輸出電壓。C/S＋接控制信號(如初級過流信號等),，當(dāng)初級過流時,，C/S＋大于25V,，UC3875停止輸出驅(qū)動信號，從而將變換器輸出關(guān)閉,，防止了災(zāi)難事故的發(fā)生,。驅(qū)動信號由OUTA～OUTD輸出，并經(jīng)TC4420擴流,，由驅(qū)動變壓器去驅(qū)動S1～S4MOS管,，其延時時間由UC3875的7腳、15腳外接電阻確定,，實際的驅(qū)動信號時序如圖5所示,。

圖5驅(qū)動信號、變壓器次級信號波形圖

7結(jié)語

(1)換向死區(qū)時間的控制對實現(xiàn)零電壓開關(guān)很重要,。

(2)UC3875控制電路的控制部分和輸出驅(qū)動部分供電電源應(yīng)分開,，否則移相時將引起頻率變化。

　　(3)為了在寬范圍內(nèi)實現(xiàn)ZVS,，要在變壓器初級串一個諧振電感,，但諧振電感不能太大，電感太大會帶來占空比丟失,，初級電流較大,，導(dǎo)通損耗增大，電感發(fā)熱等問題,，并且效率大大降低,。

　　根據(jù)中國電信總局1999年底對所有入網(wǎng)通信電源效率的要求：所有大于1kW的通信電源，其效率(從半載到滿載)應(yīng)大于90％,。解決了諧振電感的發(fā)熱損耗問題,，也就解決了效率問題。也可采用全橋ZVZCSPWM電路,，使超前橋臂實現(xiàn)ZVS,，滯后橋臂實現(xiàn)ZCS，便可克服全橋ZVS的缺點,，效率可達93％以上,。