电流模式控制移相全桥零电压软开关(ZVS)DC/DC功率变换器

引言
　　
随着计算机与通信技术的飞速发展，作为配套设备的开关电源也获得了长足进步，并随着新器件、新理论、新电磁材料和变换技术以及各种辅助设计分析软件的不断问世，开关电源的性能不断提高。本文介绍一种新型的高频DC/DC开关变换器，并成功地应用在军用充电机上。

DC/DC变换器主电路　　

改进型移相全桥ZVS DC/DC变换器主电路结构和各点波形对照如图1、图2所示。



　　
由于电路工作状态在一个周期内可以分为两个完全一样的过程，所以以下仅仅分析半个周期的情况，而这半个周期又可分为以下三种开关模态。

● 开关模态1，t0<t<t1，其中t1=DTs/2
　　
此时Q1和Q4同时导通，变压器副边电感L1和整流管DS2导通，原边能量向负载端传递。此模态的等效电路见图3。


　　
其中，a为变压器变比，Vin是直流母线电压，I1和I2分别是电感L1和L2电流(L1=L2=LS)，此时有等式（1）成立。　　　　　(1)
　　　
　　　　　(2)
　　
Ip(t)=aI1(t)　　　　　　　　　　　(3)
　　
当Q4关断时该模态过程结束。

● 开关模态2，t1<t<t2，其中t2≤Ts/2
　　
在t1时刻关断Q4，此时副边电感L1中储存的能量给Q4电容(或并联电容)充电，同时将Q3两端电容电荷放掉。为了实现软开关，Q4关断和Q3开通之间至少要存在一死区时间 Δt1，使得在Q3开通前D3首先导通，且有下式成立。

Ip1Δt1=2CeffVin　　　　　　　　　　(4)
　　
其中Ceff是开关管漏源两端等效电容，IP1为t1时刻变压器原边流过电流。当D3导通后，变压器副边两个二极管DS1和DS2同时导通，电路工作在续流状态。此时等效电路如图4所示。
　　　　　　　　　　

　　
此时有如下电路方程成立。
　　　　　　　　　　(5)
　　　　　　　　　　 (6)
　　 (7)
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(8)
rt=rMOSfet+rxfmr　　　　　　　　　　　　　　　　 (9)

其中D为脉冲占空比，fS为电路工作频率，L’ik为主边变压器漏感(或与外接电感的串联值)，rt是变压器原边等效电阻，τ是原边等效电流衰减时间常数，Vfp是反并联二极管导通压降。

● 开关模态3，t2<t<t3，其中t3=Ts/2
　　
处于该模态时，电路原边导通情况与以上的模态2一致。此时由于换流过程结束，DS2关断，所以等效电路如图5所示。


　　
此时有电路方程如下。
　　

　　
这时I1、I2与模态2相同，但是DS1中将流过全部的负载电流。当Q1关断时该模态结束，此时副边电感L2中存储的能量同时给开关管Q1和Q2漏源端电容充电和放电。
　　
Q1关断后，D2和D3将导通，这时候就可以给Q2和Q3以开通触发信号了，当电流反向后，Q2、Q3导通，能量再次从原边传递到副边，于是Q2、Q3都是零电压开通。由于对称性，剩下的半个周期的工作状况与以上完全相同。由此可以得到负载端输出电压，注意它与一般的全波整流电路之间的1/2倍的关系。
　　
(13)
　　
由工作原理可以得到如下结论。
　　
● 超前臂开关管和滞后臂开关管的ZVS都利用了次级输出滤波电感的能量来实现，因此串联在原边的电感值可以大大减小，甚至可以不需要串联电感，只用变压器的原边漏感。
● 软开关实现时能量由副边电感和原边电感共同提供，因此可以在较宽的负载范围内实现ZVS。
● 超前臂开关管和滞后臂开关管实现软开关ZVS的条件没有基本型电路苛刻，并且由于副边电感的影响，它们之间的软开关实现条件的差异较之基本型电路大大减小。

变换器控制电路设计　　

该控制系统通过采集原边母线电流、副边侧输出电压来构成电流内环和电压外环两个控制闭环，原理框图如图6所示。UCC3895是美国TI公司生产的一种高性能电流/电压移相PWM控制器，是UC3875(79)的改进型，适合于移相全桥电路，同时配合零电压开关工作以实现在高频时的局部软开关性能，除了具有UC3875(79)的功能外，最大的改进是增加了自适应死区设置，以适应负载变化时不同的准谐振软开关要求，BCDMOS工艺使得芯片的功耗更小，工作频率更高。
　　
从图6所示的原理框图可以看出，原边母线电流通过电流互感器隔离采集得到，该信号再通过滤波以及斜坡补偿电路后得到电流控制信号，而输出电压信号经过TL431调节后经过光耦隔离，再与设定电压参考值比较得到电压控制信号。电流和电压控制信号输入移相PWM控制器UCC3895后经由芯片内部比较器以及脉冲产生电路得到四路PWM控制信号，但是有一点必须注意，那就是UCC3895的驱动能力很弱，所以必须将这些控制信号加以功率放大并隔离，然后才能驱动主电路的两个桥臂中的开关管。其中，采用母线电流的好处是它能反映同一桥臂上下开关管的导通情况，从而为开关管的保护电路提供一定的依据。另外，该方案成功与否的关键就是斜坡补偿电路以及隔离驱动电路。