移相谐振PWM技术的研究

移相谐振 PWM 技术的研究 南昌航空工业学院 赵珂

Research for the Phase Shifted Resonant PWM Control technique 摘要: 摘要:本文着重讨论在高频应用场合下的移相零电压谐振 PWM 技术,分析移相型谐振变换器、 谐振腔电路及定额 PWM 技术中的设计规范。 关键词: 关键词:移相谐振控制; ZVS;定频脉宽调制; 谐振腔; UC3875 + 分类号: 文献标识: 文章编号:1006-6977(1999)11-0036 36分类号:TN787 .2 文献标识:B 文章编号:1006-6977(1999)11-0036-03

1. 概述 要实现开关电源的小型化,除元件本身的性能和体积改进外,另一个重要途径就是提高开 关电源的工作频率。 在传统的 PWM 型开关电源中, 开关损耗是开关电源高频化的主要障碍之一。 为防止开关管共同导通而留的死区时间,限制了开关电源工作频率的提高,而移相谐振 PWM 技 术正是利用死区时间,通过谐振腔使开关管输出电容(寄生参数)上的电压迅速放电,从而实现 零电压或零电流开关,减少开关损耗和降低噪声干扰。移相式 PWM 控制器 UC3875 是设计移相 零电压谐振 PWM 开关电源的理想器件,它可对全桥开关的相位进行相位移动,实现全桥功率级 定频脉宽调制控制。通过功率开关器件的输出电容充/放电,在输出电容充/放电结束(即电压 为零)时实现零电压开通。相位控制的特点体现在 UC3875 的四个输出端分别驱动 A/B、D/C 两 个半桥,可单独进行导通延时(即死区时间)的可编程控制,在该死区时间内确保下一个功率开 关器件的输出电容放电完毕,为即将导通的开关器件提供电压开通条件。在全桥变换拓扑模式 下,移相控制的优点得到最充分的体现。UC3875 在电压模式和电流模式下均可工作,并可过 电流关断以实现故障的快速保护。 2. 全桥移相谐振电路 传统的 PWM 型开关电源具有控制简单,稳态直流增益与负载无关等优点,缺点是开关损失 随开关频率的提高而增加。造成 PWM 变换器开关损失较大的原因是:(1)开关器件的通、断都

是强制的;(2) 开关器件是非理想的,即开和关 不能瞬间完成,都需要一定的时间;(3) 开关器 件及与之相连的器件都有寄生参数,使通过开关 器件的电压和电流不是纯方波,如图 1 所示。因 此在开、关过程中会产生开关器件的电压、电流 波形交叠现象,从而产生开关损失。随着频率的 增加,开关损失在全部损失中所占比例也随着增 加。 移相式 PWM 控制器的出现,较好地克服了传统 PWM 技术的缺点,移相全桥 PWM 电路通过移 相,使全桥的四个开关轮流导通。在同一臂的两个开关管轮流导通过程中,通过变压器的漏感 与开关管的输出寄生电容组成谐振腔使电容上的电压以最快的速度放电, 保证开关管处于零电 压开关状态(ZVS),从而避免了开关工作过程中电压、电流的重叠。 图 2 所示为 UC3875 构成的移相全桥变换器,在移相全桥开关电路中,驱动信号不仅要驱 动桥的两个对角桥臂,而且还要使两个对角桥臂的导通有一定的时间延时,有效占空比受图 3

所示的延时时间控制。

由于两个桥臂的开关元

件不是同时被驱动的,所以需要精确设置“移相”导通波形之间的延迟时间间隔,延迟时间间 隔由谐振腔控制电路的电压回路进行调节,最终充当两个驱动信号的移相号。此时串联在变压 器的上半桥或下半桥中的两个开关管均处于导通状态,而变压器在开关管导通时刻的电压为

零,即变压器的初级处于短接状态,并箝位初级电流保持原值。当半桥中的一个开关器件经适 当的延迟时间后关断时,变压器初级电流又流过该开关管的输出寄生电容,从而与开关管的漏 极电压谐振且与电压反相,使对角臂开关上的电压为零,从而保证了零电压开关工作状态。3. 3. 在轻载时谐振腔电路 谐振腔电路的设计 谐振腔电路的设计首先要考虑开关器件的工作频率, 必须满足下述条件: (1) 谐振腔电路能存储足够的能量,从而使谐振电容上的电压极性反转; (2) 转换过程必须在指定的转换时间内完成, 否则将导致能量损耗和非 ZVS 开关状态的出 现。 存储在谐振腔内的能量和最大转换过渡时间同时决定了谐振电路的谐振角频率ωr、谐振 腔的电感 Lr 及电容 Cr,电容 Cr 由两个开关器件的寄生电容 CF 和与其并联的变压器初级谐振电 容 C 决定,最大转换过渡时间 Tmax 不能超过谐振周期的 1/4,否则不能满足 ZVS 开关的条件。 ωr、Tmax 和 Cr 应分别满足下列公式的要求: 谐振频率: ωr=1/(LrCr)1/2(1)

最大转换过渡时间: T(max)=4ωr(2) 谐振电容: Cr=(8CF/3)+C(3) CF 为 MOSFET 的内部寄生电容,为满足高电压工作的要求,乘以 4/3 的安全系数。在每个 转换过渡期,两个开关管的寄生电容被并联驱动,因此输出电容应为 8CF/3。 4. UC3875 移相脉宽调制控制电路 在移相脉宽调制控制技术中关键的技术就是提供一个精确的 0°~180°的相移控制范围。 在相移控制范围两侧,任何性能不良都会造成开关器件共同导通的灾难性后果。UC3875 移相 控制器的特点是: 在相控范围两端的控制性能优异, 且具有完成有效控制、 保护和驱动的功能。 图 4 为利用 UC3875 实现移相脉宽调制控制的实际电路。 4.1 死区时间的设置 UC3875 的输出驱动信号和零电压开关的延迟时间由延迟设定端子(7 脚和 15 脚)的 R18、

C14 和 R19、C15 确定,可分别对 A、B 和 C、D 两对开关器件进行编程,A、B、C、D 输出的延 时时间时序见图 3。A、B 的输出延时不同于 C、D,这样,在不同的负载电流下,可产生一个 工作周期内脉冲上升沿和下降沿不同的过渡转换时间。若产生过渡转换失真,将导致桥式变换 器不能正常工作于 ZVS 工作状态。 4.2 移相 PWM 宽度的设置 移相 PWM 的相移控制是通过误差放大器来实现的,误差放大器的同相端(4 脚)通过分压电 阻设置基准电压,反相端(3 脚)与电源输出端(OUT3,OUT4)与经光耦隔离后的反馈输出相连, 两者相比较,差值经放大输出,送至移相脉宽控制器,控制 A,B 与 C,D 之间的相位,最终调 整波形占空比,使电压稳定在预定值上。 4.3 限流保护措施 正常情况下,开关电源应工作在额定输出功率范围之内,避免电源工作在超出正常输出状 态,但在实际工作中是很难预测的。故本电路将高频变压器输出的电流经电流互感器(B)耦合 输出,再经 D1、D2 整流、C7、C8 滤波及 P1、R7、R8 分压后,送至 UC3875 的电流控制端(5 脚), 与比较器的同相端电压进行比较,当输入电压高于 2.5V 时,UC3875 的过流保护电路起作用。 4.4 输出控制电路 UC3875 输出电路采用图腾柱式输出,最大电流可达 2A,并可直接驱动功率晶体管和场效 应管。为确保 UC3875 和开关器件工作在安全状态,在设计中增加了推挽驱动电路、变压器驱 动隔离电路及限流保护电路等外围辅助电路。 总之,移相全桥定频 PWM 控制技术的使用,克服了寄生参数的影响,避免了转换过程中电 压电流的交叠,减少了电路的损耗,同时应用软开关技术,使电源工作波形得到净化,减少 EMI/RFI 干扰。该技术可使大功率电源的设计更为简便;且开关频率高;可控性好;使用更为 可靠。 参考文献 1. Phase Shift Resonant Controller Handbook of Unitrode

2. 蔡宣三,龚绍文编著.高频功率电子椫 绷鳁 直流变换部分.科学出版社,1993 3. 叶治政,叶靖国编著.开关稳压电源.高等教育出版社,1989


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