全橋移相開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)解析

　　上世紀(jì)60年代開(kāi)始起步的PWM功率變換技術(shù)出現(xiàn)了很大的發(fā)展，但由于其通常采用調(diào)頻穩(wěn)壓控制方式，使得軟開(kāi)關(guān)的范圍受到限制，且其設(shè)計(jì)復(fù)雜，不利于輸出濾波器的優(yōu)化設(shè)計(jì)。本文介紹了由UC3875構(gòu)成的相移式PWM 控制器的工作原理，并在此基礎(chǔ)之上進(jìn)一步設(shè)計(jì)了由UC3875構(gòu)成的全橋移相零電壓開(kāi)關(guān)（ZVS）PWM 開(kāi)關(guān)電源。該電路能以隔離方式驅(qū)動(dòng)功率MOSFET，從而提高了電路的穩(wěn)定性；由于采用了ZVS 技術(shù)使電路在高頻情況下能夠大大減小開(kāi)關(guān)損耗，提高了整個(gè)電路的工作效率。

　　闡述了零電壓開(kāi)關(guān)技術(shù)（ZVS）在移相全橋變換器電路中的應(yīng)用。分析了電路原理和各工作模態(tài)，著重分析了開(kāi)關(guān)管的零電壓開(kāi)通和關(guān)斷的過(guò)程實(shí)現(xiàn)條件，并且提出了相關(guān)的應(yīng)用領(lǐng)域和今后的發(fā)展方向。本文選擇了全橋移相控制ZVS-PWM諧振電路拓?fù)?，闡述了零電壓開(kāi)關(guān)技術(shù)（ZVS）在移相全橋變換器電路中的應(yīng)用。分析了電路原理和各工作模態(tài)。

　　關(guān)鍵詞：零電壓開(kāi)關(guān)技術(shù)、全橋移相控制、諧振變換器

　　第一章 引言

　　1.1開(kāi)關(guān)電源簡(jiǎn)介

　　開(kāi)關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開(kāi)關(guān)管開(kāi)通和關(guān)斷的時(shí)間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源，開(kāi)關(guān)電源一般由脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制IC和MOSFET構(gòu)成。開(kāi)關(guān)電源和線(xiàn)性電源相比，二者的成本都隨著輸出功率的增加而增長(zhǎng)，但二者增長(zhǎng)速率各異。線(xiàn)性電源成本在某一輸出功率點(diǎn)上，反而高于開(kāi)關(guān)電源，這一點(diǎn)稱(chēng)為成本反轉(zhuǎn)點(diǎn)。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新，使得開(kāi)關(guān)電源技術(shù)也在不斷地創(chuàng)新，這一成本反轉(zhuǎn)點(diǎn)日益向低輸出電力端移動(dòng)，這為開(kāi)關(guān)電源提供了廣闊的發(fā)展空間。

　　開(kāi)關(guān)電源高頻化是其發(fā)展的方向，高頻化使開(kāi)關(guān)電源小型化，并使開(kāi)關(guān)電源進(jìn)入更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，特別是在高新技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用，推動(dòng)了高新技術(shù)產(chǎn)品的小型化、輕便化。另外開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展與應(yīng)用在節(jié)約能源、節(jié)約資源及保護(hù)環(huán)境方面都具有重要的意義。

　　開(kāi)關(guān)電源中應(yīng)用的電力電子器件主要為二極管、IGBT和MOSFET。

　　SCR在開(kāi)關(guān)電源輸入整流電路及軟啟動(dòng)電路中有少量應(yīng)用，GTR驅(qū)動(dòng)困難，開(kāi)關(guān)頻率低，逐漸被IGBT和MOSFET取代。

　　開(kāi)關(guān)電源的三個(gè)條件

　　1、開(kāi)關(guān)：電力電子器件工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)而不是線(xiàn)性狀態(tài)

　　2、高頻：電力電子器件工作在高頻而不是接近工頻的低頻

　　3、直流：開(kāi)關(guān)電源輸出的是直流而不是交流

　　人們?cè)陂_(kāi)關(guān)電源技術(shù)領(lǐng)域是邊開(kāi)發(fā)相關(guān)電力電子器件，邊開(kāi)發(fā)開(kāi)關(guān)變頻技術(shù)，兩者相互促進(jìn)推動(dòng)著開(kāi)關(guān)電源每年以超過(guò)兩位數(shù)字的增長(zhǎng)率向著輕、小、薄、低噪聲、高可靠、抗干擾的方向發(fā)展。開(kāi)關(guān)電源可分為AC/DC和DC/DC兩大類(lèi)，DC/DC變換器現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)模塊化，且設(shè)計(jì)技術(shù)及生產(chǎn)工藝在國(guó)內(nèi)外均已成熟和標(biāo)準(zhǔn)化，并已得到用戶(hù)的認(rèn)可，但AC/DC的模塊化，因其自身的特性使得在模塊化的進(jìn)程中，遇到較為復(fù)雜的技術(shù)和工藝制造問(wèn)題。以下分別對(duì)兩類(lèi)開(kāi)關(guān)電源的結(jié)構(gòu)和特性作以闡述。

　　1.2開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展動(dòng)向

　　開(kāi)關(guān)電源在發(fā)展方向是高頻、高可靠、低耗、低噪聲、抗干擾和模塊化。由于開(kāi)關(guān)電源輕、小、薄的關(guān)鍵技術(shù)是高頻化，因此國(guó)外各大開(kāi)關(guān)電源制造商都致力于同步開(kāi)發(fā)新型高智能化的元器件，特別是改善二次整流器件的損耗，并在功率鐵氧體材料上加大科技創(chuàng)新，以提高在高頻率和較大磁通密度下獲得高的磁性能，而電容器的小型化也是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。SMT技術(shù)的應(yīng)用使得開(kāi)關(guān)電源取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展，在電路板兩面布置元器件，以確保開(kāi)關(guān)電源的輕、小、薄。開(kāi)關(guān)電源的高頻化就必然對(duì)傳統(tǒng)的PWM開(kāi)關(guān)技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)ZVS、ZCS的軟開(kāi)關(guān)技術(shù)已成為開(kāi)關(guān)電源的主流技術(shù)，并大幅提高了開(kāi)關(guān)電源的工作效率。對(duì)于高可靠性指標(biāo)，美國(guó)的開(kāi)關(guān)電源生產(chǎn)商通過(guò)降低運(yùn)行電流，降低結(jié)溫等措施以減少器件的應(yīng)力，使得產(chǎn)品的可靠性大大提高。

　　模塊化是開(kāi)關(guān)電源發(fā)展的總體趨勢(shì)，可以采用模塊化電源組成分布式電源系統(tǒng)，可以設(shè)計(jì)成N＋1冗余電源系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)并聯(lián)方式的容量擴(kuò)展。針對(duì)開(kāi)關(guān)電源運(yùn)行噪聲大這一缺點(diǎn)，若單獨(dú)追求高頻化其噪聲也必將隨著增大，而采用部分諧振轉(zhuǎn)換電路技術(shù)，在理論上即可實(shí)現(xiàn)高頻化又可降低噪聲，但部分諧振轉(zhuǎn)換技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用仍存在著技術(shù)問(wèn)題，故仍需在這一領(lǐng)域開(kāi)展大量的工作，以使得該項(xiàng)技術(shù)得以實(shí)用化。

　　電力電子技術(shù)的不斷創(chuàng)新，使開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)業(yè)有著廣闊的發(fā)展前景。要加快我國(guó)開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展速度，就必須走技術(shù)創(chuàng)新之路，走出有中國(guó)特色的產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合發(fā)展之路，為我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

　　1.3本設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容

　　利用相移脈寬調(diào)制零電壓諧振技術(shù)和相移脈寬調(diào)制諧振控制器UC3875的性能及在其在功率變換中的應(yīng)用。采用UC3875 設(shè)計(jì)全橋零電壓軟開(kāi)關(guān)功率變換電路，控制電路簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定可靠，效率達(dá)90%。

　　本文第二、三、四章介紹了相關(guān)電力電子期間，整流、逆變電路基礎(chǔ)知識(shí)，UC3875的特性以及PWM控制技術(shù)。第五章系統(tǒng)的闡述了本設(shè)計(jì)的全部?jī)?nèi)容，重點(diǎn)介紹了ZVS逆變電路的各個(gè)狀態(tài)的工作模式，系統(tǒng)的分析了UC3875控制電路設(shè)計(jì)原理，并對(duì)電壓檢測(cè)反饋電路和過(guò)電流保護(hù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和分析，使電路的穩(wěn)定性和安全性進(jìn)一步提高。

　　第二章 相關(guān)電力電子器件介紹

　　在電氣設(shè)備或電力系統(tǒng)中，直接承擔(dān)電能的變換或控制任務(wù)的電路被稱(chēng)為主電路。電力電子器件是指可直接用于處理電能的主電路中，實(shí)現(xiàn)電能的變換或控制的電子器件。同我們?cè)趯W(xué)習(xí)電子技術(shù)基礎(chǔ)時(shí)廣泛接觸的處理信息的電子器件一樣，廣義上電力電子器件可分為電真空器件和半導(dǎo)體器件兩類(lèi)。但是，自20世紀(jì)50年代以來(lái)，除了在頻率很高（如微波）的大功率高頻電源中還在使用真空管外，基于半導(dǎo)體材料的電力電子器件已逐步取代了以前的汞弧整流器、閘流管等電真空器件，成為電能變換和控制領(lǐng)域的絕對(duì)主力。因此，電力電子器件目前也往往專(zhuān)指電力半導(dǎo)體器件。與普通半導(dǎo)體器件一樣，目前電力半導(dǎo)體器件所采用的主要材料仍然是硅。

　　2.1 二極管

　　將PN結(jié)用外殼封裝起來(lái)，并加上電極引線(xiàn)就構(gòu)成了半導(dǎo)體二極管，簡(jiǎn)稱(chēng)二極管。由P區(qū)引出的電極為陽(yáng)極，由N區(qū)引出的電極為陰極。與PN結(jié)一樣，二極管具有單向?qū)щ娦?。但是，由于二極管存在半導(dǎo)體體電阻和引線(xiàn)電阻，所以當(dāng)外加正向電壓時(shí)，在電流相同的情況下，二極管的端電壓大于PN結(jié)上的壓降；或者說(shuō)，在外加正向電壓相同的情況下，二極管的正向電流要小于PN結(jié)的電流；在大電流情況下，這種情況更為明顯。另外，由于二極管表面漏電流的存在，使外加反向電壓時(shí)的電流增大。

　　實(shí)測(cè)二極管的伏安特性時(shí)發(fā)現(xiàn)，只有在正向電壓足夠大時(shí)，正向電流才從零隋端電壓按指數(shù)規(guī)律增大。使二極管開(kāi)始導(dǎo)通的臨界電壓稱(chēng)為開(kāi)啟電壓UON。當(dāng)二極管所加反向電壓的數(shù)值足夠大時(shí)，反向電流為Is。反向電壓太大將使二極管擊穿，不同型號(hào)二極管的擊穿電壓差別很大，從幾十伏到幾千伏。

　　穩(wěn)壓二極管是一種硅材料制成的面接觸型晶體二極管，簡(jiǎn)稱(chēng)穩(wěn)壓管。穩(wěn)壓管在反向擊穿時(shí)，在一定的電流范圍內(nèi)（或者說(shuō)在一定的功率損耗范圍內(nèi)），端電壓幾乎不變，表現(xiàn)出穩(wěn)壓特性，因而廣泛用于穩(wěn)壓電源與限幅電路之中。

　　穩(wěn)壓管有著與普通二極管相似的伏安特性，其正向特性為指數(shù)曲線(xiàn)。當(dāng)穩(wěn)壓管外加反向電壓的數(shù)值大到一定程度時(shí)則擊穿，擊穿區(qū)的曲線(xiàn)很陡，幾乎平行于縱軸，表現(xiàn)出很好的穩(wěn)壓特性。只要控制 流不超過(guò)一定值，管子就不會(huì)因?yàn)檫^(guò)熱而損壞。穩(wěn)壓管的符號(hào)如圖2.1所示。