适合于宽负载条件运行的有限双极性软开关DC／DC变换器

双环控制原理及其实现

2.1 电压电流双环控制

传统的方法采用电压模式单闭环控制，这种控制方法响应较慢，也不能对功率器件进行实时电流限制，为了实现电压电流可控，平均电流模式采用双闭环控制，其内环控制输出的平均电流，外环控制输出电压，提高了系统响应速度。

2.2 控制电路设计

采用集成芯片UC3525外加运放构成平均电流模式控制电路，并用外加逻辑电路的方式形成有限双极性控制的4路控制信号。如图8所示。

(1)外环控制 电压给定信号与输出电压反馈信号经运放U1补偿比较得Ue，接到UC3525的内部误差放人器正相输入端的脚2。当输出电流超过给定限流值时，D11导通，Ue被箝在给定限流值上。

(2)内环控制 采样电阻检测输出电流，并通过电流检测放大器得电流反馈信号。接到UC3525的内部误差放大器反相输入端的脚1，与Ue进行比较。UC3525的脚9为反馈补偿端。

(3)有限双极性控制 UC3525的脚4为同步信号输出，该信号作为D触发器(U3)的时钟信号，U3的Q端(脚1)和Q端(脚2)即可得到占空比为50％、相位相差180°的两组脉冲，S11、S12用于控制死区时间。

3 仿真与实验验证

这种有限双极性控制的ZVZCS PWM全桥变换器，已应用到一种15KW（300V/50A）电源模块的设计当中。其主要技术参数如下。

输入DC 430～650V直流；

输出DC 170～340V：DC0～50A；

开关工作频率20kHz；

死区时间1 μs；

隔直电容Cb=4 μF；

IGBT并联电容C1=C2=22nF；

变压器原副边匝数比为15：13；

输出滤波电感0.15mH；

输出滤波电容2200μF。

3.l 仿真结果

额定功率下超前臂的ZVS波形如图9所示。

滞后臂的ZCS波形如图10所示。

实验验证了仿真结果的正确性。

3.2 实验波形

当100％负载时，超前臂实现ZVS波形图如图11所示(管压波形100V/div，驱动波形5V/div)。

从图ll可看出，超前臂开通(即驱动信号为高)时，由于之前反并二极管续流的原因，管压为零。超前臂关断时，由于超前管上并联电容的原因，管压上升缓慢，基本实现超前臂ZVS。从图11中超前臂管压波形中可明显看出，由于软开关的实现，功率管上的电压尖峰基本消除。

滞后臂实现ZCS波形图如图12所示。

滞后臂开通(即管压从500V变为0V)时，由于饱和电感的存在，电流推迟2μs上升，实现零电流开通。而后超前臂关断，由于隔直电容的存在，电流迅速衰减至零。为滞后臂的零电流关断提供条件。图12中，滞后臂ZCS实现十分理想，原边电流环流衰减迅速，达到预期效果。

l0%负载时，超前臂实现ZVS波形图如图13所示。

由图13可以看出，轻载时，原边电流变小，并联电容的充放电速度明显减缓，反映在图中即超前臂的管压的上升下降沿变平缓。但此时超前臂的占空比也相应减小，死区时间自动加长，为并联电容提供了足够长的放电时间，保证了超前臂的零电压开通。关断时，由于并联电容充电缓慢的原因，使零电压关断的效果更加理想。

滞后臂实现ZCS波形图如图14所示。

轻载时，占空比相应减小，为原边电流衰减至零提供了充足的时间，保证了滞后臂ZCS的实现。

由以上各图，可明显看出有限双极性控制在10％～lOO%负载范围内超前臂的ZVS和滞后臂的ZCS都实现得十分理想。且从原边电流ip的波形上可明显看出原边环流衰减十分迅速，保证在较宽的负载范围内实现高效率，实验证明整机效率可达94％。

4 结语

(1)采用有限双极性控制的方法克服了移相控制死区调整困难的问题，使得超前臂可以在很宽的负载范围内实现ZVS。而且C1、C2可选取的范围较大，大大改善了超前臂零电压关断的效果。

(2)由于饱和电感的存在，可以在全范围内实现滞后臂的ZCS。隔直电容用来减小环流。

(3)软开关的实现，消除了开关管电压尖峰，降低了开关损耗，可以在较宽的负载范围内实现高效率。