l 移相式ZVZCSPWM軟開關電源主電路分析
在設計制作的1．2kW(480V／2．5A)的軟開關直流電源中,，其主電路為全橋變換器結構,，四只開關管均為MOSFET(1000V／24A),，采用移相ZVZCSPWM控制，即超前臂開關管實現(xiàn)ZVS,、滯后臂開關管實現(xiàn)ZCS,，電路結構簡圖如圖l，VT1～VT4是全橋變換器的四只MOSFET開關管,，VD1,、VD2分別是超前臂開關管VT1、VT2的反并超快恢復二極管,，C1,、C2分別是為了實現(xiàn)VTl、VT2的ZVS設置的高頻電容,，VD3,、VD4是反向電流阻斷二極管，以實現(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構成的高頻整流電路以及Lf、C3,、C4等濾波器件組成,。
其基本工作原理如下：
當開關管VT1、VT4或VT2,、VT3同時導通時,，電路工作情況與全橋變換器的硬開關工作模式情況一樣，主變壓器原邊向負載提供能量,。通過移相控制,，在關斷VT1時并不馬上關斷VT4，而是根據(jù)輸出反饋信號決定的移相角,，經(jīng)過一定時間后再關斷VT4,，在關斷VT1之前，由于VT1導通,，其并聯(lián)電容C1上電壓等于VT1的導通壓降,，理想狀況下其值為零，當關斷VT1時刻,，C1開始充電,，由于電容電壓不能突變,，因此,，VT1即是零電壓關斷,。
由于變壓器漏感L1k以及副邊整流濾波電感的作用，VT1關斷后,，原邊電流不能突變,，繼續(xù)給Cb充電，同時C2也通過原邊放電,，當C2電壓降到零后,，VD2自然導通，這時開通VT2,，則VT2即是零電壓開通,。
當C1充滿電、C2放電完畢后,，由于VD2是導通的,，此時加在變壓器原邊繞組和漏感上的電壓為阻斷電容Cb兩端電壓，原邊電流開始減小,，但繼續(xù)給Cb充電,，直到原邊電流為零，這時由于VD4的阻斷作用,，電容Cb不能通過VT2,、VT4、VD4進行放電,，Cb兩端電壓維持不變,，這時流過VT4電流為零，關斷VT4即是零電流關斷,。
關斷VT4以后,，經(jīng)過預先設置的死區(qū)時間后開通VT3，由于電壓器漏感的存在,，原邊電流不能突變,，因此VT3即是零電流開通。
VT2,、VT3同時導通后原邊向負載提供能量,，一定時間后關斷VT2，由于C2的存在,，VT2是零電壓關斷,，如同前面分析，原邊電流這時不能突變,，C1經(jīng)過VD3,、VT3、Cb放電完畢后,，VD1自然導通,，此時開通VT1即是零電壓開通,，由于VD3的阻斷，原邊電流降為零以后,，關斷VT3,，則VT3即是零電流關斷，經(jīng)過預選設置好的死區(qū)時間延遲后開通VT4,，由于變壓器漏感及副邊濾波電感的作用,，原邊電流不能突變，VT4即是零電流開通,。
這種采用超快恢復二極管阻斷原邊反向電流方式的移相式ZVZCS PWM全橋變換器拓撲的理想工作波形如圖2所示,，其中Uab表示主電路圖3中a、b兩點之間的電壓,，ip為變壓器T原邊電流,，Ucb為阻斷電容Ub上的電壓，Urect是副邊整流后的電壓,。
2 基于UC3875的主控制回路設計
為了實現(xiàn)主回路開關管ZVZCS軟開關,，采用UC3875為其設計了PWM移相控制電路，如圖3所示,?？紤]到所選MOSFET功率比較大對芯片的四個輸出驅動信號進行了功率放大，再經(jīng)高頻脈沖變壓器T1,、T2隔離最后經(jīng)過驅動電路驅動MOSFET開關管,。整個控制系統(tǒng)所有供電均用同一個15V直流電源，實驗中設置開關頻率為70kHz,，死區(qū)時間設置為1．5μs,，采用簡單的電壓控制模式，電源輸出直流電壓通過采樣電路,、光電隔離電路后形成控制信號,，輸入到UC3875誤差放大器的EA一，控制UC3875誤差放大器的輸出,，從而控制芯片四個輸出之間的移相角大小,，使電源能夠穩(wěn)定工作，圖中R6,、C5接在EA一和E／AOUT之間構成PI控制,。在本設計中把CS+端用作故障保護電路，當發(fā)生輸出過壓,、輸出過流,、高頻變原邊過流、開關管過熱等故障時,，通過一定的轉換電路,，把故障信號轉換為高于2．5V的電壓接到CS+端,，使UC3875四個輸出驅動信號全為低電平，對電路實現(xiàn)保護,。
圖4是開關管的驅動電路。隔離變壓器的設計采用AP法,、變比為l：1．3的三繞組變壓器,。UC3875輸出的單極性脈沖經(jīng)過放大電路、隔離電路和驅動電路后形成+12V／一5V的雙極性驅動脈沖,，保證開關管的穩(wěn)定開通和關斷,。
3 仿真與實驗結果分析
PSpice是一款功能強大的電路分析軟件，對開關頻率70kHz的ZVZCS軟開關電源的仿真是在PSpice9．1平臺上進行的,。
實驗樣機的主回路結構采用圖1所示的電路拓撲,，阻斷二極管采用超快恢復大功率二極管RHRG30120，其反向恢復時間在100ns以內(nèi),，滿足70kHz開關頻率的要求,。開關管MOSFET采用IXYS公司的IXFK24N100開關管，這種型號MOS管自身反并有超快恢復二極管,，其反向恢復時間約250ns,，因此主回路中超前橋臂無需另外再接反并超快恢復二極管，VD1,、VD2就利用開關管自身的反并二極管已滿足要求,，C1、C2利用開關管的結電容,，其容值大約為8．2nF,。根據(jù)實驗樣機的要求以及相關計算，制作主變壓器時,，原,、副邊變比選為1：2．6，主變壓器的設計采用了AP法,，結合實際制作過程中的反復實驗,，最后選擇型號為EE55的軟磁鐵氧體磁心作為主變壓器的磁心，原邊10匝,，副邊26匝,，導線均為多股漆包線，繞制方式：最里層副邊13匝,、中間層原邊10匝,、最外層副邊13匝，變壓器原邊電感222μH,、漏感1．8μH,，副邊電感1490μH,、漏感9．2μH。副邊輸出電感的設計同樣采用AP法,，鐵心采用EI型的軟磁鐵氧體,，多股導線并繞。
圖5是超前橋臂開關管驅動電壓與管壓降波形圖,，(a)為仿真波形,、(b)為實驗波形，可見超前臂開關管完全實現(xiàn)了ZVS開通,，VT1,、VT2關斷時是依賴其自身很小的結電容來實現(xiàn)的，從圖中可以看出,，關斷時也基本實現(xiàn)了ZVS關斷,。
圖6是滯后橋臂開關管驅動電壓與電流波形圖，(a)為仿真波形,、(b)為實驗波形,；圖7是滯后臂開關管管壓降與電流波形圖，(a)為仿真波形,、(b)為實驗波形,，從圖6、圖7可以看出滯后臂開關管VT3,、VT4很好地實現(xiàn)了ZCS關斷,，關斷時開關管電流已經(jīng)為零；滯后臂開關管完全開通之前,，開關管電流也幾乎為零,，基本實現(xiàn)了ZCS開通。而且滯后橋臂開關管VT3,、VT4可以在很大負載范圍內(nèi)實現(xiàn)ZCS開關,。
圖8是兩橋臂中點之間的電壓Uab的波形圖，(a)為仿真波形,、(b)為實驗波形,。圖9是阻斷電容Cb上的電壓U曲波形，(a)為仿真波形,、(b)為實驗波形,。從圖上可以看出，由于有Ucb的存在,，Uab不是一個方波,。當Uab=0時，阻斷電容Cb上的電壓Ucb使原邊電流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,，從而實現(xiàn)了滯后橋臂的ZCS開關。
4 結論
本文在介紹了移相諧振控制芯片UC3875的工作特點并詳細分析了采用串聯(lián)阻斷二極管的移相式ZVZCS PWM軟開關工作特性的基礎上,，設計了一臺1．2kW,、開關頻率70kHz的全橋軟開關直流電源，并應用PSpice軟件進行了仿真,，實驗結果與仿真結果基本符合,。實驗表明以UC3875為核心的控制部分結構簡單可靠，電源主電路開關管均實現(xiàn)了軟開關,，并克服了單純的ZVS或ZCS軟開關模式的缺點，可有效減小開關管開關過程引起的損耗,，有利于提高電源開關頻率,，減小電源體積和重量。