ZVT－PWM移相軟開關(guān)通信基礎(chǔ)--電源模塊的設(shè)計(jì)

摘要：簡(jiǎn)單介紹ZVT—PWM移相軟開關(guān)變換電路的原理及特點(diǎn)，研究采用移相全橋ZVT－PWM軟開關(guān)變換電路的設(shè)計(jì)方法，并給出通信基礎(chǔ)開關(guān)電源整流模塊的設(shè)計(jì)實(shí)例及試驗(yàn)結(jié)果。

關(guān)鍵詞：開關(guān)電源脈寬調(diào)制移相全橋ZVT軟開關(guān)通信電源IGBT

Design on the Communication Basic Power Supplies Module Controlled

by Phase Shifted－ type ZVT－ PWM Soft－ switch Technique

Abstract:This paper analyses the principle and characteristic of the ZVT soft－ switch type converter.The design method on the ZVT soft－ switch type power supplies is researched.As a example,the switch－ type power supplies used in communication and it's test result are given.

Keywords:Switch－ type power supplies PWM Phase shifted full bridge ZVT－ soft－ switch Communication power supplies IGBT

1引言

　　隨著電力電子器件從晶閘管（SCR）到大功率晶體管（GTR），再發(fā)展到VMOSFET和IGBT等，功率變換技術(shù)也經(jīng)歷了從負(fù)載諧振變換到硬開關(guān)PWM，再到雙零開關(guān)和雙零變換的發(fā)展過程。雙零變換技術(shù)包括零電壓變換（ZVT）和零電流變換（ZCT）兩種，它們的基本工作原理是采用輔助開關(guān)管與諧振電路共同配合主開關(guān)管工作，使其分別實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)（ZVS）或零電流開關(guān)（ZCS），是真正意義上的定頻軟開關(guān)PWM變換，具有定頻PWM變換和軟開關(guān)變換的共同優(yōu)點(diǎn)，所以雙零變換技術(shù)是功率變換技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)之一。

2移相全橋ZVT軟開關(guān)變換技術(shù)

　　雙零變換技術(shù)中，ZVT變換技術(shù)應(yīng)用比較普遍，主要用于高頻有源PFC和DC/DC變換電路。ZVT變換的基本工作原理是輔助開關(guān)管與諧振電路共同工作，使主開關(guān)管實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)。

　　ZVT變換技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)有：

　?。?）定頻PWM變換，與以調(diào)頻形式工作的ZVS變換相比，變壓器和濾波電抗器的設(shè)計(jì)比較容易，利用率也比較高；

　?。?）在主開關(guān)管開通和關(guān)斷的過程中，采用部分諧振技術(shù)，實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)變換，大大降低了開關(guān)損耗，提高了工作效率；

　?。?）主開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)流過的電流和關(guān)斷時(shí)承受的電壓與硬開關(guān)PWM變換相近，比雙零開關(guān)變換成本低，可靠性高；

　　（4）軟開關(guān)變換，電磁干擾（EMI）小。

圖1移相全橋變換電路

　　ZVT變換技術(shù)典型的應(yīng)用是移相控制的全橋式變換電路，其基本電路如圖1所示。

　　VDA、VDB、VDC、VDD分別是開關(guān)管VA、VB、VC、VD（這里以IGBT為例）的等效反并聯(lián)體二極管；CA、CB、CC、CD分別是VA、VB、VC、VD的等效輸出電容（結(jié)電容）；L1為一次側(cè)電路引線電感LX、變壓器一次側(cè)繞組漏感LL和外加電感L之和，即

圖2移相PWM控制波形

L1=LX＋LL＋L（1）

　　開關(guān)管采用移相式PWM控制方式，控制波形見圖2。

　　由此可見，移相全橋變換電路四個(gè)開關(guān)管既為主開關(guān)管，又互為輔助開關(guān)管，既不增加開關(guān)管數(shù)量，又吸收了分布參數(shù)作諧振電路參數(shù)，實(shí)現(xiàn)零電壓轉(zhuǎn)換[1]。

3ZVT軟開關(guān)變換電路中的應(yīng)用設(shè)計(jì)

　　移相全橋ZVT軟開關(guān)變換電路可以用于設(shè)計(jì)許多類型的開關(guān)電源變換裝置，設(shè)計(jì)方法和過程都是相似的。由于主電路確定為全橋式逆變電路，集成控制芯片一般選UCX875～79或者M(jìn)L4148，所以最主要的設(shè)計(jì)內(nèi)容歸結(jié)為兩點(diǎn)：一是根據(jù)散熱平衡優(yōu)化設(shè)計(jì)ZVT軟開關(guān)變換諧振參數(shù)，二是控制系統(tǒng)的環(huán)路設(shè)計(jì)。

3．1ZVT軟開關(guān)變換諧振參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

　　主電路諧振電感量L1是決定能否實(shí)現(xiàn)零電壓轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵。L1太小，在負(fù)載較小時(shí)，雖然超前橋臂開關(guān)管比較容易實(shí)現(xiàn)ZVT，但是由于環(huán)流不能維持到滯后橋臂開關(guān)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換時(shí)刻，使滯后橋臂不能實(shí)現(xiàn)ZVT[1]。但是，L1過大，會(huì)限制最大占空比，并會(huì)降低功率因數(shù)。負(fù)載很輕時(shí)，電流不太大，即使是硬開關(guān)狀態(tài)，開關(guān)損耗也不會(huì)太大。另外，開關(guān)管的通態(tài)損耗也隨電流的變化而變化，對(duì)于IGBT管，管壓降為UCES，應(yīng)按照滿載時(shí)設(shè)計(jì)散熱條件。因此，使滯后橋臂實(shí)現(xiàn)ZVT的最小負(fù)載電流優(yōu)化的原則應(yīng)該是：當(dāng)電流下降到αIOE時(shí)，滯后橋臂上兩只開關(guān)管的開關(guān)損耗的增加量Pon－offr等于所有四只開關(guān)管的通態(tài)損耗的減少量PONf，不變的散熱條件，使得開關(guān)管的結(jié)溫仍然保持原來(lái)的水平，由文獻(xiàn)[2]可知，Pon－offr和PONf可以分別由式（2）和式（3）求出，所以α可以由式（4）求出：

Pon－offr=αIOEUd(ton＋toff)fS(2)

PONf=4δ(1－α)IOEUCESat(3)(4)

式中：ton——IGBT的開通時(shí)間，toff——IGBT的關(guān)斷時(shí)間；fS——逆變電路的開關(guān)頻率；UCESat——IGBT的導(dǎo)通壓降。

　　根據(jù)下式和式（1）可以求出外加電感量L：(Lm＋L1)·(αIOE/n)2/2>（4CS/3＋Ct/2）(5)

式中:Lm——變壓器一次側(cè)勵(lì)磁電感，n——變壓器變比，CS——開關(guān)管輸出電容；Ct——變壓器一次側(cè)繞組電容。

3．2控制系統(tǒng)的環(huán)路設(shè)計(jì)

　　開關(guān)穩(wěn)壓電源控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3開關(guān)穩(wěn)壓電源控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

　　控制系統(tǒng)環(huán)路設(shè)計(jì)就是通過對(duì)系統(tǒng)的環(huán)路及其對(duì)小信號(hào)的響應(yīng)進(jìn)行分析，選擇合適的調(diào)節(jié)器，并采取適當(dāng)?shù)男ＵW(wǎng)絡(luò)，使系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)及其穩(wěn)定性都能滿足要求。具體說就是，穩(wěn)態(tài)無(wú)靜差、動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度足夠快、系統(tǒng)穩(wěn)定、抗高頻干擾能力強(qiáng)。要使系統(tǒng)滿足以上性能，其開環(huán)傳遞函數(shù)L（ω）就必須滿足以下要求[3]：

　?。?）低頻段以－20dB/Dec或－40dB/Dec的斜率下降，無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差；

　?。?）中頻段以－20dB/Dec斜率下降，系統(tǒng)的穩(wěn)定余量較大，中頻帶寬要足夠?qū)?，以保證系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度；

　?。?）高頻段以－40dB/Dec或－60dB/Dec的斜率下降，對(duì)高頻干擾衰減快。

　　PWM環(huán)節(jié)是線性的，其傳遞函數(shù)為K1，逆變開關(guān)電路和變壓器組合也是線性的，其傳遞函數(shù)為1/n，n為變壓器一、二次側(cè)匝數(shù)之比。輸出LC濾波環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為1/（s2LC＋1）,輸出電壓反饋網(wǎng)絡(luò)也是線性的，其傳輸函數(shù)為：KB=R2/（R1＋R2）。假設(shè)誤差放大器（或調(diào)節(jié)器）的傳遞函數(shù)為G1（s），則圖3所示的系統(tǒng)就可以寫成傳遞函數(shù)的形式，見圖4。

　　若誤差放大器為比例調(diào)節(jié)器，即G1（s）=KP，則控制系統(tǒng)為二階系統(tǒng)，其開環(huán)傳遞函數(shù)見式（6），幅頻特性曲線見圖5（a）。這種系統(tǒng)的穩(wěn)定誤差比較大，并且是有條件的穩(wěn)定系統(tǒng)，穩(wěn)定余量太小。

圖6比例積分（PI）調(diào)節(jié)器和無(wú)源超前校正網(wǎng)絡(luò)

圖4開關(guān)穩(wěn)壓電源控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

　　解決以上問題的方法：

　?。?）采用比例積分（PI）調(diào)節(jié)器，見圖6（a），傳遞函數(shù)見式（7）；

　　（2）采用無(wú)源超前校正，見圖6（b），傳遞函數(shù)見式（8）。

圖5二階系統(tǒng)開環(huán)幅頻特性曲線和

圖6比例積分（PI）調(diào)節(jié)器和無(wú)源超前校正網(wǎng)絡(luò)

校正后的系統(tǒng)開環(huán)幅頻特性曲線

　　校正后的系統(tǒng)開環(huán)幅頻特性曲線見圖5（b），基本能夠滿足上述的要求。（7）（8）

　　在進(jìn)行以上環(huán)路設(shè)計(jì)的同時(shí)，還要遵循以下兩個(gè)基本點(diǎn)：

　　（1）交越頻率ωC即L（ω）=0時(shí)頻率為逆變開關(guān)頻率fC的（1/4～1/5）；

　?。?）中頻帶寬b=ω4/ω3≈10。

4設(shè)計(jì)實(shí)例及試驗(yàn)結(jié)果

　　采用移相全橋ZVT軟開關(guān)變換電路設(shè)計(jì)的DMA－48/50通信開關(guān)電源模塊，輸入電壓為三相380V±20％，輸出電壓為43.2～57.6V可調(diào)，輸出電流為50A。選用IRG4PF50W型高速IGBT做開關(guān)管，開關(guān)頻率為40kHz，選用UC3879做集成控制芯片，振蕩頻率設(shè)為80kHz。引線電感加變壓器一次側(cè)漏感約為1.5μH，外加電感為6.5μH左右,L1=8μH,IO=18.5A時(shí)開始實(shí)現(xiàn)ZVT,最大占空比Dmax=0.88。系統(tǒng)環(huán)路設(shè)計(jì)采用了PI調(diào)節(jié)器和無(wú)源超前校正，ω≈9kHz，中頻帶寬b=ω4/ω3≈11.2。

　　測(cè)試結(jié)果系統(tǒng)穩(wěn)定、控制精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)，基本參數(shù)如下：

　　功率因數(shù)：PF=0.948（50A，57.6V）

　　效率：η=92.6％(50A,57.6V)。

　　輸出峰－峰雜音：130mV。

5結(jié)束語(yǔ)

　　移相全橋ZVT變換電路是中、大功率直流電源變換器理想的方案之一，它效率高、EMI小、開關(guān)管的定額要求低、成本低。設(shè)計(jì)時(shí)，要根據(jù)散熱平衡優(yōu)化實(shí)現(xiàn)ZVT軟開關(guān)的最小電流，既能提高功率傳輸?shù)男?，又可降低成本。系統(tǒng)的環(huán)路設(shè)計(jì)要綜合考慮穩(wěn)態(tài)、動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)和穩(wěn)定性，采取必要的校正措施，并要設(shè)計(jì)合適的交越頻率和中頻帶寬。采用移相全橋ZVT變換電路設(shè)計(jì)的DMA－48/50通信用基礎(chǔ)開關(guān)電源，已經(jīng)通過了原郵電部的入網(wǎng)測(cè)試，并取得了進(jìn)網(wǎng)許可證。