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以移相全桥为主电路的软开关电源设计全解
来源：电源网
作者：铃铛
移相全桥变换器可以大大减少功率管的开关电压、电流应力和尖刺干扰，降低损耗，提高开关频率。如何以UC3875为核心，设计一款基于PWM软开关模式的开关电源?请见下文详解。
主电路分析
这款软开关电源采用了全桥变换器结构，使用MOSFET作为开关管来使用，参数为1000V/24A。采用移相ZVZCSPWM控制，即超前臂开关管实现ZVS、滞后臂开关管实现ZCS。电路结构简图如图1，VT1~VT4是全桥变换器的四只MOSFET开关管，VD1、VD2分别是超前臂开关管VT1、VT2的反并超快恢复二极管，C1、C2分别是为了实现VTl、VT2的ZVS设置的高频电容，VD3、VD4是反向电流阻断二极管，用来实现滞后臂VT3、VT4的ZCS，Llk为变压器漏感，Cb为阻断电容，T为主变压器，副边由VD5~VD8构成的高频整流电路以及Lf、C3、C4等滤波器件组成。
图1 1.2kw软开关直流电源电路结构简图
其基本工作原理如下：
当开关管VT1、VT4或VT2、VT3同时导通时，电路工作情况与全桥变换器的硬开关工作模式情况一样，主变压器原边向负载提供能量。通过移相控制，在关断VT1时并不马上关断VT4，而是根据输出反馈信号决定移相角，经过一定时间后再关断VT4，在关断VT1之前，由于VT1导通，其并联电容C1上电压等于VT1的导通压降，理想状况下其值为零，当关断VT1时刻，C1开始充电，由于电容电压不能突变，因此，VT1即是零电压关断。
由于变压器漏感L1k以及副边整流滤波电感的作用，VT1关断后，原边电流不能突变，继续给Cb充电，同时C2也通过原边放电，当C2电压降到零后，VD2自然导通，这时开通VT2，则VT2即是零电压开通。
当C1充满电、C2放电完毕后，由于VD2是导通的，此时加在变压器原边绕组和漏感上的电压为阻断电容Cb两端电压，原边电流开始减小，但继续给Cb充电，直到原边电流为零，这时由于VD4的阻断作用，电容Cb不能通过VT2、VT4、VD4进行放电，Cb两端电压维持不变，这时流过VT4电流为零，关断VT4即是零电流关断。
关断VT4以后，经过预先设置的死区时间后开通VT3，由于电压器漏感的存在，原边电流不能突变，因此VT3即是零电流开通。
VT2、VT3同时导通后原边向负载提供能量，一定时间后关断VT2。由于C2的存在，VT2是零电压关断，如同前面分析，原边电流这时不能突变，C1经过VD3、VT3。Cb放电完毕后，VD1自然导通，此时开通VT1即是零电压开通，由于VD3的阻断，原边电流降为零以后，关断VT3，则VT3即是零电流关断，经过预选设置好的死区时间延迟后开通VT4，由于变压器漏感及副边滤波电感的作用，原边电流不能突变，VT4即是零电流开通。
PWM全桥变换器拓扑的理想工作波形如图2所示，其中Uab表示主电路图3中a、b两点之间的电压，ip为变压器T原边电流，Ucb为阻断电容Ub上的电压，Urect是副边整流后的电压。
图2 理想工作波形
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网博互动旗下网站：导读：第3章高频开关电源控制电路的硬件设计与实现，在开关电源中，单电源为2-36V，入电压范围等于电源电压，所以在使用时必须在正电源端和输出端之间跨接3-20k?的上拉电阻，采用两个温控开关，使用时温控开关和功率器件一起安装在散热片上，其中一个温控开关选用40℃常开开关，温控开关闭合，另一个温控开关为80℃常闭开关，温控开关打开，温控开关重新闭合，开关电源软启动，3.3辅助电源设计，图3-5是辅助电第3章 高频开关电源控制电路的硬件设计与实现 C/S+，实现对整个电路的保护。 3.2.1电压与电流的保护 芯片内有一个电流比较器，其同相端接电流检测端C/S+(pin5)，反相端在内部接了一个2.5V电压。当C/S+电压超过2.5V时，电流比较器输出高电平，是输出级全部为低电平，同时将软启动脚的电压拉到0V。当C/S+电压低于2.5V后，电流比较器输出低电平，软启动电路动作，输出端的移相角从0度慢慢增大。实际上，也可以把C/S+用作一个故障保护电路，例如输出过压，输出过流等。当这些故障发生时，通过一定的电路转换成高于2.5V的电压，接到C/S+端，就可以对电路实现保护了。将检测到的电流信号整流后经过二极管D引到UC3875的电流检测端C/S+。当原边电流过流时，检测到的电压信号超过2.5V，UC3875的输出全部关断。
输出电压保护电路如图3-4所示，输出电压经分压后，接到比较器的正向输入端，在正常工作时，输出电压经分压后的电压小于给定值，比较器输出低电平，二极管D6不导通。当输出过压时，比较器输出高电平，二极管D6导通，此时，CS+端的电压信号大于门槛电压2.5V，过压保护动作，指示灯D3亮。D6是止逆二极管，防止其余的电路故障发生时指示灯误动作。 输出电流的保护电路与输出电压的保护电路基本相似。不同的仅是输出电流信号经过电流互感器后，在由检测电阻和分压，在经过电压跟随器，接到C/S+端。电流互感器，电流互感器是一种变换电流的互感器，其二次侧的电流一般为5A，它的主要作用有二个：其一是用来使仪表、继电器等与主电路绝缘；其二是用来扩大仪表、继电器的二次设备的应用范围。通过采用不同的变流比的电流互感器，利于测量二次的电流。电流互感器的一次绕组匝数很少，且一次绕组导体相当粗，二次绕组匝数多，导体较细。工作时，一次绕组串联在一次电路中，而二次绕组则与元件等串联，形成闭合回路。电流互感器的一次电流和二次电流的关系如下：
I1?N2I2 N1在保护电路中，用到了电压跟随器[15]和电压比较器[13]。在开关电源中，电压跟随器有较大的电流放大能力，且输入电阻较高，输出电阻低，有很好的隔离、缓冲作用。常用的电压跟随器是LM342。电压比较器常用的是LM339，它有宽电压范围，单电源为2-36V；偏置电流小，失调电压小，典型值是2mV，共模输
27 第3章 高频开关电源控制电路的硬件设计与实现 入电压范围等于电源电压，输出饱和电压低，输出级采用集电极开路形式，可方便灵活选用。LM339比较器多用做比较两种电压，当任选一个输入端并加上一个固定参考电压时，输出端就会从一种状态翻转为另一种状态。LM339的输出级为集电极开路状态，所以在使用时必须在正电源端和输出端之间跨接3-20k?的上拉电阻，以保证输出端有可靠的电平输出。
图3-4 保护电路 3.2.2过热保护电路
功率器件发热是不可避免的，所以功率器件必须固定在散热片上进行冷却，必要时采用风扇冷却。功率器件过热时，性能会降低，使用寿命减少，严重时器件会损坏，因此有必要对功率器件的散热情况加以监视。 本电路中，采用两个温控开关，分两级对功率器件进行热保护。使用时温控开关和功率器件一起安装在散热片上。其中一个温控开关选用40℃常开开关，串联在风扇供电线路中。当散热片温度高于40℃，温控开关闭合，启动风扇散热；另一个温控开关为80℃常闭开关。当散热片温度高于80℃，温控开关打开，UC3875的C/S+端电压大于2.5V，UC3875封锁输出，起到对电路的保护作用。当温度下降到40℃以下时，温控开关重新闭合，开关电源软启动，继续工作。
3.3 辅助电源设计 图3-5是辅助电源的设计电路，0.33uF的电容防自激振荡，1uF的电容防止输出电压有波动。运用整流桥将交流电整成直流，并用78系列稳压器稳压。设计的辅助电源为芯片提供驱动电压，分别输出+12V、+5V。其中一个+5V是光电耦合器的专用电源。
28 第3章 高频开关电源控制电路的硬件设计与实现 T154-+10.33u1u483TRANSFORMERW005G2L110uHDu1u024-+805+502L210uH4-+10.33u1W005G1u3 图3-5
辅助电源 3.4 本章小结
本章设计了高频开关电源的控制电路，以芯片UC3875为核心，设计了它的外围电路及其参数。以后又设计了开关通信电源的输出过压、过流及其过热保护电路，运用了电压跟随器，电压比较器和光电耦合器等器件。最后，设置了开关通信电源的辅助电源。
29 第四章 电路的仿真及分析 第四章
电路的仿真及分析 为了验证本章电路设计的可行性和正确性，本章利用SABER软件对该电路进行仿真和分析。 SABER仿真软件被誉为全球最先进的系统仿真软件，是唯一的多技术、多领域的系统仿真产品，可用于电子、电力电子、机电一体化、机械、光电、光学、控制等不同类型系统构成的混合系统仿真。SABER作为混合仿真系统，可以兼容模拟、数字、控制量的混合仿真，便于在不同层面上分析和解决问题。原理图输入和仿真，Sketch是SABER的原理图输入工具，通过它可以直接进入SABER仿真引擎。在SABER Sketch中，用户能够创建自己的原理图，启动SABER完成各种仿真（偏置点分析、DC分析、AC分析、瞬态分析、温度分析、参数分析、傅立叶分析、噪声分析、应力分析、失真分析等），可以直接在原理图上查看仿真结果，SABER Sketch及其仿真功能可以帮助用户完成混合信号、混合技术（电气、液压等）系统的仿真分析。SABER Sketch中的原理图可以输出成多种标准图形格式，用于报告、设计审阅或创建文档。数据可视化和分析Cosmos Scope是SABER的波形查看和仿真结果分析工具，它的测量工具有50多种标准的测量功能，可以对波形进行准确的定量分析。它的专利工具――波形计算器，可以对波形进行多种数学操作。Cosmos Scope中的图形也可以输出成多种标准图形格式用于文档。模型库，SABER拥有市场上最大的电气、混合信号、混合技术模型库，它具有很大的通用模型库和较为精确的具体型号的器件模型，其元件模型库中有4700多种带具体型号的器件模型，500多种通用模型。建模，不同类型的设计需要不同类型的模型，SABER提供了完整的建模功能，可以满足各种仿真与分析的需求。
SABER的混合信号、混合技术设计和验证能力已经得到了业界的验证，功能强大的原理图输入、仿真分析、模型库、建模语言、建模功能再加上先进的布局布线设计使SABER成为业界工程师的首选。SABER的架构和独一无二的模型交换能力为市场上提供了最为强大的仿真工具，能够处理所有的仿真需求。 仿真：输入电压40V，输出电压10V。 仿真电路如下：
30 第四章 电路的仿真及分析
图4-1 仿真电路 图4-2(a)中是输出10V时的原边电压波形，在本电路中利用变压器的漏感作为谐振电感，漏感比较小。这就使得在功率管开通时振荡比较小。图4-2(c)是变换器副边的电压波形，通过合理的选择吸收回路的参数，减小功率管开通时引起的振荡。通过图4-2(a)与图4-2(c)的波形，可以看出在副边存在占空比丢失的现象。(b)是变换器原边的电流波形。(d)是输出得直流电压，表明仿真的正确性。(e)是开关管的驱动电压波形，可以看出同时只能驱动两个不同臂上的MOSFET管。防止同一桥臂同时导通，引起短路。(f)是滞后臂的一个管子的漏源极电压波形，可以看出，当驱动电压变为正方向时，开关管的漏源极电压已经为零，其内部寄生的反并二极管已经导通，此时开通开关管就是零电压开通；而当开关管关断时，其结电容限制了vDS的上升率，所以开关管是零电压关断的。由此说明了移相控制方案实现了开关管的零电压开关。
（a）变换器原边电压波形
31 包含总结汇报、专业文献、资格考试、IT计算机、外语学习、计划方案、行业论文、考试资料以及48V25A直流高频开关电源设计等内容。本文共9页
相关内容搜索全桥移相软开关多弧电源--《大连海事大学》2009年硕士论文
全桥移相软开关多弧电源
【摘要】：
开关电源的研究涉及电力电子、自动控制等诸多技术领域。高频化、模块化、数字化是开关电源的发展方向。实现高频化的主要途径是软开关技术,采用全桥移相零电压开通软开关技术是脉宽调制PWM DC-DC变换器中比较成功的应用例子。
本论文详细分析了这种全桥拓扑方案的工作模态、原理和主要参数的设计原则。本文所设计的电源采用三相交流电源输入,经过整流滤波后,再通过全桥软开关逆变和高频变压器降压,控制电路采用全桥软开关移相控制,利用变压器的漏感、附加谐振电感和功率管的寄生电容来实现开关管的零电压开通,降低了开关损耗,减小了电源体积,提高了效率。
经过理论研究、软件仿真和样机实验,基本达到了设计目标。
【学位授予单位】：大连海事大学【学位级别】：硕士【学位授予年份】：2009【分类号】：TN86
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