移相式PWM软开关直流电源设计

移相式PWM软开关直流电源设计

贺小艳

贺小艳

广东鼎华科技股份有限公司广东佛山528000

摘要：软开关直流电源具有体积小、效率高、安全可靠等优点，被广泛应用于社会的各个领域中。本文分析了移相式直流电源的原理，并对移相式PWM软开关直流电源的设计展开了介绍，以期能为类似电源设计提供参考。

关键词：PWN；软开关直流电源；设计

引言

随着现代电力电子技术的快速发展，社会对电源的要求越来越高，而传统的相控整流型电源也逐渐被开关电源取代。其中，PWM控制技术具有经济、节约空间、控制简单、灵活等优点，能够使得电源的输出电压保持稳定，在开关电源设计中具有良好的应用价值。基于此，笔者展开了相关介绍。

1.移相式直流电源的原理分析

如图1所示，输入直流电压Udc，选择的功率开关器件N沟道MOSFET分别为VT1、VT2、VT3、VT4，VDl、VD2、VD3、VD4为反馈二极管，输出电容为C1、C2、C3、C4，漏电感为Lr，负载两端的电压由变压器二次侧电压通过带阻感负载的桥式整流电路来提供。实现零电压开通（ZVS）条件工作原理：正常情况下，该器件启动时，开关管两端承受很大的电压，不利于导通；并联电容后，变压器漏感Lr与电容发生串联谐振，相当于一根导线，漏感储能，电容释放能量，这样可以让开关管承受的电压降为零，有利于其安全导通。

图1移相控制全桥ZVS-PWM变换器主电路原理图

在移相全桥ZVS-PWMDC-DC变换器中，因为采用的开关器件是VT1～VT4，并联电容为C1～C4，反馈二极管为VD1～VD4，所以在一个周期过程中，有12种不一样的工作流程，且该变换器的工作状态在12种工作过程中完全不相同。

这12种工作过程分别为：

（1）功率输出过程：正半周功率输出、负半周功率输出；

（2）钳位续流过程：正半周钳位续流、负半周钳位续流；

（3）串联谐振过程：超前臂器件工作时的谐振，滞后臂器件工作时的谐振；

（4）换流过程：超前臂器件工作时的换流，滞后臂器件工作时的换流；

（5）反馈过程：一次侧电感储能并向电网反馈；

（6）急变过程：变压器一次侧电流在过零结束时的上冲、下冲；

（7）二次侧整流输出电流受一次侧的影响变化过程；

（8）在二次侧的输出电压占空比缺失过程。

图2主变压器原边电压、原边电流、副边电压波形（一个完整工作周期）

从理论上来讲，正负半周的输出波形应当是对称的，所以只需要分析一个周期中正半周的工作过程，就可推导出负半周的工作过程。其工作波形图以及工作过程如图2、图3所示。

如图3（a）所示，t0—t1时间内为正半周功率输出过程：电能转化为电感储存的磁能，并向负载供电。

如图3（b）所示，t1—t2时间内为超前臂谐振过程：利用并联电容与等效电感发生串联谐振，在t2时刻VT1两端电压降为零，从而实现零电压关断。

如图3（c）所示，t2—t3时间内为正半周原边电流的钳位续流过程：续流电流通过钳位二极管流通，从而实现其零电压导通（ZVS）。

如图3（d）所示，t3—t4时间内为滞后臂谐振过程：换相过程中全桥整流电路恢复正常工作，对负载供电。

如图3（e）所示，t4—t5时间内为电感储能返回电网过程：并联电容与Lr发生串联谐振，将VT3两端的电压钳位在零电平，从而为实现功率开关管VT3的零电压开通创造了有利条件。

如图3（f）所示，t5—t6时间内为原边电流负向增大过程：VT2、VT3保持导通状态，使得反并联二极管反向电压而自然关断；同时为负半周功率输出过程形成有利条件。

在软开关电路中，应当尽量避免将死区时间设置过大。因为死区时间越大，开关管两端承受的电压越高，将大大增加开通损耗，影响功率的输出。

（a）正半周期功率输出过程

图3电路各时段工作模态等效电路

2.主控制回路设计

为了实现开关管的零电压开通（ZVS）和零电流关断（ZCS），采用UC3875为其设计了PWM移相控制电路。UC3875芯片是移相式准谐振变换器控制集成电路，具有多种控制技术，如恒频脉宽调制技术、谐振和零电压开关技术等，可实现半桥功率级的恒频PWM控制。

用UC3875设计的控制电路如图4所示。图中，R302和C302设置开关频率，R301和C301设置OUTA和OUTB的死区时间，R303和C304设置OUTC和OUTD的死区时间。R304和C303设置锯齿波的斜率和幅值，C305设置软启动时间。

（1）频率设置。将变换器的开关频率设置为25kHz，则振荡器的频率为50kHz，所以由：

选择C302的大小为222pF，则可得到R302=360kΩ，实际取值390kΩ。

3.仿真与实验验证

根据课题给出的系统设计指标进行主电路相关参数的计算。在计算出主要参数的基础上，基于Matlab/Simulink软件搭建仿真模型进行系统的仿真，同时为硬件电路的设计做好准备。

3.1仿真电路结构模型

系统仿真模型如图5所示，模型主要参数如下：交流电源单相电压幅值分别为311V，初始相位分别为0°、120°和-120°，频率为50Hz；三线圈三相转换器：额定功率为1kW，频率为50Hz，原副边均采用星型接法，原、副边电压为380V、50V；高频变压器：额定功率为1kW，频率为50Hz，绕组1电压400V，绕组2电压200V，绕组3电压200V。

图5电路的仿真原理图

如图5所示，三相电压经过三相变压器，通过三相不可控桥式整流电路，将三相电压变换为脉动直流电压。在图中，电路负载两端的电压值与高频变压器两端的电压值进行比较，比较输出作为MOSFET管的驱动信号，以构成闭环反馈。在实际电路中，可以使用电位器来调节改变电压值，实现连续调节输出电压。上半部分（即Vabinverter）是变压器的原边输入信号波形图，下半部分（即Vab_load）是负载两端的输出波形图。从仿真曲线可见，逆变电路的输出电压（高频变压器即线性变压器的输入电压）波形为方波，幅值大小为100V，负载两端的电压波形为直流波形，大小由0升到45V，最后稳定于45V，这正是逆变到整流的转换。

3.2硬件电路设计与实验

设计要求：三相交流220V输入，直流32V输出，电流0～5A，精度5%以内。移相式PWM直流电源的工作过程为：直流电压经过逆变器变为含谐波较多的交流电，并通过主隔离变压器将两部分隔离开来，防止干扰。二次侧电压经过全波整流电路（由VD5和VD6组成）变换为直流电，再经过LC滤波电路，去除高次谐波，形成稳定的直流电并给负载LR（阻感性负载）供电。在一个完整的开关周期内，4个功率开关管的占空比小于50%，并且按照顺序导通、关断。主电路相关元器件参数如表1所示。

表1主电路相关元器件参数

如图6所示，B输出信号与A输出信号反相，D输出信号与C输出信号反相，A、C输出信号移相相同，B、D输出信号移相相同，满足设计要求。

图6UC3875的OUTA/B/C/D的输出波形

图7（a）为高频变压器的输入端波形，变压器的变比是3/4，输入电压为90V左右；图7（b）是负载两端的波形，即输出电压为32V。因此，在通入220V交流电后，经过该逆变电源，最终得到直流电源为32V。

（a）

（b）

图7变压器输入端和负载的输出波形

4.结语

综上所述，电力电子技术的快速发展以及社会的不断进步对电源也提出了更高的要求，如何设计符合实际需求的直流电源是当前的一个重要课题。本文设计了一种移相式PWM软开关直流电源，经仿真验证，该电源满足设计需求，具有良好的推广应用价值。

参考文献:

[1]高明.28V-120A开关直流稳压电源设计[J].山东工业技术,2018(10):164-165+191.

[2]陈继洋,廖冬初.高功率因数软开关电源设计研究与仿真[J].计算机仿真,2016,33(10):104-108.

[3]付贤松,张远,牛萍娟.具有功率因数校正的全桥移相软开关电源设计[J].天津工业大学学报,2015,34(04):63-67.