全桥移相开关电源设计.docx
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全桥移相开关电源设计
摘要
上世纪60年代开始起步的PWM功率变换技术出现了很大的发展，但由于其通常采用调频稳压控制方式，使得软开关的范围受到限制，且其设计复杂，不利于输出滤波器的优化设计。
本文介绍了由UC3875构成的相移式PWM控制器的工作原理，并在此基础之上进一步设计了由UC3875构成的全桥移相零电压开关（ZVS）PWM开关电源。
该电路能以隔离方式驱动功率MOSFET，从而提高了电路的稳定性；由于采用了ZVS技术使电路在高频情况下能够大大减小开关损耗，提高了整个电路的工作效率。
阐述了零电压开关技术（ZVS）在移相全桥变换器电路中的应用。
分析了电路原理和各工作模态，着重分析了开关管的零电压开通和关断的过程实现条件，并且提出了相关的应用领域和今后的发展方向。
本文选择了全桥移相控制ZVS-PWM谐振电路拓扑，阐述了零电压开关技术（ZVS）在移相全桥变换器电路中的应用。
分析了电路原理和各工作模态。
关键词：
零电压开关技术、全桥移相控制、谐振变换器
Abstract
60soflastcenturytostartthePWMpowerconversiontechnologyhadmajordevelopment,butbecauseofitsfrequencyregulatorcontrolmethodcommonlyusedtomakesoft-switchingrangeislimited,andthecomplexityofitsdesignisnotconducivetooptimaldesignofoutputfilter.ThisarticledescribesthecompositionoftheUC3875phaseshiftPWMcontrollerworks,andonthisbasisforfurtherdesigncomposedbytheUC3875phaseshiftfull-bridgezerovoltageswitching（ZVS）PWMswitchingpowersupply.ToisolatethewaythecircuitcandrivethepowerMOSFET,therebyenhancingthestabilityofthecircuit;Asaresultofhigh-frequencyZVStechnologytothecircuitincaseofswitchinglossescanbegreatlyreduced,improvingtheefficiencyoftheentirecircuit.
Zero-voltageswitchingtechnologydescribed（ZVS）phaseshiftedfullbridgeconverterinthecircuitapplication.Analysisofthecircuitandtheworkingmode.Analyzesthezero-voltageswitchturnonandoffconditionsoftheprocessofimplementation.Andputforwardtherelevantapplicationareasandfuturedevelopmentdirection.ThisselectedphaseshiftcontrolfullbridgeZVS-PWMresonantcircuittopology,zerovoltageswitchingtechnologydescribed（ZVS）phaseshiftedfullbridgeconverterinthecircuitapplication.Analysisofthecircuitandtheworkingmode.
Keywords:
zero-voltageswitchingtechnology，full-bridgephase-shiftingcontrol，resonantconverter
第一章引言
1.1开关电源简介
开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。
开关电源和线性电源相比，二者的成本都随着输出功率的增加而增长，但二者增长速率各异。
线性电源成本在某一输出功率点上，反而高于开关电源，这一点称为成本反转点。
随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术也在不断地创新，这一成本反转点日益向低输出电力端移动，这为开关电源提供了广阔的发展空间。
开关电源高频化是其发展的方向，高频化使开关电源小型化，并使开关电源进入更广泛的应用领域，特别是在高新技术领域的应用，推动了高新技术产品的小型化、轻便化。
另外开关电源的发展与应用在节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义。
开关电源中应用的电力电子器件主要为二极管、IGBT和MOSFET。
SCR在开关电源输入整流电路及软启动电路中有少量应用，GTR驱动困难，开关频率低，逐渐被IGBT和MOSFET取代。
开关电源的三个条件
1、开关：
电力电子器件工作在开关状态而不是线性状态
2、高频：
电力电子器件工作在高频而不是接近工频的低频
3、直流：
开关电源输出的是直流而不是交流
人们在开关电源技术领域是边开发相关电力电子器件，边开发开关变频技术，两者相互促进推动着开关电源每年以超过两位数字的增长率向着轻、小、薄、低噪声、高可靠、抗干扰的方向发展。
开关电源可分为AC/DC和DC/DC两大类，DC/DC变换器现已实现模块化，且设计技术及生产工艺在国内外均已成熟和标准化，并已得到用户的认可，但AC/DC的模块化，因其自身的特性使得在模块化的进程中，遇到较为复杂的技术和工艺制造问题。
以下分别对两类开关电源的结构和特性作以阐述。
1.2开关电源的发展动向
开关电源在发展方向是高频、高可靠、低耗、低噪声、抗干扰和模块化。
由于开关电源轻、小、薄的关键技术是高频化，因此国外各大开关电源制造商都致力于同步开发新型高智能化的元器件，特别是改善二次整流器件的损耗，并在功率铁氧体材料上加大科技创新，以提高在高频率和较大磁通密度下获得高的磁性能，而电容器的小型化也是一项关键技术。
SMT技术的应用使得开关电源取得了长足的进展，在电路板两面布置元器件，以确保开关电源的轻、小、薄。
开关电源的高频化就必然对传统的PWM开关技术进行创新，实现ZVS、ZCS的软开关技术已成为开关电源的主流技术，并大幅提高了开关电源的工作效率。
对于高可靠性指标，美国的开关电源生产商通过降低运行电流，降低结温等措施以减少器件的应力，使得产品的可靠性大大提高。
模块化是开关电源发展的总体趋势，可以采用模块化电源组成分布式电源系统，可以设计成N＋1冗余电源系统，并实现并联方式的容量扩展。
针对开关电源运行噪声大这一缺点，若单独追求高频化其噪声也必将随着增大，而采用部分谐振转换电路技术，在理论上即可实现高频化又可降低噪声，但部分谐振转换技术的实际应用仍存在着技术问题，故仍需在这一领域开展大量的工作，以使得该项技术得以实用化。
电力电子技术的不断创新，使开关电源产业有着广阔的发展前景。
要加快我国开关电源产业的发展速度，就必须走技术创新之路，走出有中国特色的产学研联合发展之路，为我国国民经济的高速发展做出贡献。
1.3本设计的主要内容
利用相移脉宽调制零电压谐振技术和相移脉宽调制谐振控制器UC3875的性能及在其在功率变换中的应用。
采用UC3875设计全桥零电压软开关功率变换电路,控制电路简单,性能稳定可靠,效率达90%。
本文第二、三、四章介绍了相关电力电子期间，整流、逆变电路基础知识，UC3875的特性以及PWM控制技术。
第五章系统的阐述了本设计的全部内容，重点介绍了ZVS逆变电路的各个状态的工作模式，系统的分析了UC3875控制电路设计原理，并对电压检测反馈电路和过电流保护进行了设计和分析，使电路的稳定性和安全性进一步提高。
第二章相关电力电子器件介绍
在电气设备或电力系统中，直接承担电能的变换或控制任务的电路被称为主电路。
电力电子器件是指可直接用于处理电能的主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。
同我们在学习电子技术基础时广泛接触的处理信息的电子器件一样，广义上电力电子器件可分为电真空器件和半导体器件两类。
但是，自20世纪50年代以来，除了在频率很高（如微波）的大功率高频电源中还在使用真空管外，基于半导体材料的电力电子器件已逐步取代了以前的汞弧整流器、闸流管等电真空器件，成为电能变换和控制领域的绝对主力。
因此，电力电子器件目前也往往专指电力半导体器件。
与普通半导体器件一样，目前电力半导体器件所采用的主要材料仍然是硅。
2.1二极管
将PN结用外壳封装起来，并加上电极引线就构成了半导体二极管，简称二极管。
由P区引出的电极为阳极，由N区引出的电极为阴极。
与PN结一样，二极管具有单向导电性。
但是，由于二极管存在半导体体电阻和引线电阻，所以当外加正向电压时，在电流相同的情况下，二极管的端电压大于PN结上的压降；或者说，在外加正向电压相同的情况下，二极管的正向电流要小于PN结的电流；在大电流情况下，这种情况更为明显。
另外，由于二极管表面漏电流的存在，使外加反向电压时的电流增大。
实测二极管的伏安特性时发现，只有在正向电压足够大时，正向电流才从零隋端电压按指数规律增大。
使二极管开始导通的临界电压称为开启电压UON。
当二极管所加反向电压的数值足够大时，反向电流为Is。
反向电压太大将使二极管击穿，不同型号二极管的击穿电压差别很大，从几十伏到几千伏。
稳压二极管是一种硅材料制成的面接触型晶体二极管，简称稳压管。
稳压管在反向击穿时，在一定的电流范围内（或者说在一定的功率损耗范围内），端电压几乎不变，表现出稳压特性，因而广泛用于稳压电源与限幅电路之中。
稳压管有着与普通二极管相似的伏安特性，其正向特性为指数曲线。
当稳压管外加反向电压的数值大到一定程度时则击穿，击穿区的曲线很陡，几乎平行于纵轴，表现出很好的稳压特性。
只要控制流不超过一定值，管子就不会因为过热而损坏。
稳压管的符号如图2.1所示。
图2.1二极管符号
2.2双极型晶体管
双极型晶体管（BJT）又称晶体三极管、半导体三极管等，后面简称晶体管。
晶体管分为小功率管，中功率管，大功率管。
根据不同的掺杂方式在同一个硅片上制造出三个掺杂区域，并形成两个PN结，就构成晶体管。
采用平面工艺制成的NPN型材料晶体管为于中间的P区称为基区，它很薄且杂质浓度很低；位于上层的N区是发射区，掺杂浓度很高；位于下层的N去是集电区，因而集电结面积很大；晶体管的外特性与三个区域的上述特点紧密相关。
它们所引出的三个电极分别为基极b、发射极e和集电极c。
图2.2（a）所示为NPN型管和PNP型管的符号。
图2.2（a）晶体管符号
放大是对模拟信号最基本的处理。
在生产实际和科学实验中，从传感器获得的信号都很微弱，只有经过放大后才能作进一步的处理，或者使之具有足够的能量来推动执行机构。
晶体管是放大电路的核心原件，它能够控制能量的转换，将输入的任何微小变化不失真地放大输出，放大的对象是变化量。
图2.2（b）所示为基本的放大电路，△Ui为输入电压信号，它接入基极-发射极回路，称为输入回路；放大后的信号在集电极-发射极回路，称为输出回路。
由于发射极是两个回路的公共端，故称该电路为共射放大电路。
因为晶体管工作在放大状态的外部条件是发射结正向偏置且集电结反向偏置，所以在输入回路应加基极电源VBB；在输出回路应加集电极电源VCC。
VBB和VCC的极性应如图2.2（b）所示，且VCC大于VBB。
晶体管的放大作用表现为小的基极电流可以控制大的集电极电流。
图2.2（b）基本共射放大电路
2.3光电三极管
光电三极管依据光照的强度来控制集电极电流的大小,其功能可等效为一只光电二极管与一只晶体管相连,并仅引出集电极与发射极。
如图2.3（a）所示,其符号如图（b）所示,常见外形如图（c）所示.
图2.3（a）等效电路图（b）符号（c）实物图
光电三极管与普通三极管的输出特性曲线想类似，只是将参变量基极电流IB用入射光照度E取代，如图2.3（d）所示。
无光照时的集电流称为暗电流ICEO，他比光电二极管的暗电流约大两倍；而且受温度的影响很大，温度每上升25℃。
ICEO上升约10背。
有光照时的集电极电流称为光电流。
当管压降UCE足够大时,ic几乎仅仅决定于入射光照度E。
对于不同型号的光电三极管，当入射光照度E为1000lx时，光电流从小于1000mA到几毫安不等。
使用光电三极管时，也应特别注意其反向击穿电压、最高工作电压、最大集电极功耗等极限参数。
图2.3（d）光电三极管的输出特性曲线图
2.4场效应管
场效应管是利用输入回路的电场效应来控制输出回路电流的一种半导体器件，并以此命名。
由于它仅靠半导体中的多数载流子导电，又称单极型晶体管。
场效应管不但具备双极型晶体管体积小、重量轻、寿命长等优点，而且输入回路的内阻高达107-1012Ω，噪声低，热稳定性好，抗辐射能力强，且比后者耗电省，这些优点使之从60年代诞生起就广泛地应用于各种电力电路之中。
如果在制造MOS管时，在SiQ2绝缘层中掺人大量正离子，那么即使UGS=0，在正离子作用下P型衬底表层也存在反型层，即漏一源之间存在导电沟道，只要在漏一源间加正向电压，就会产生漏极电流，如图2.4（a）所示。
并且UGS为正时，反型层变宽，沟道电阻变小，iD增大；反之，UGS为负时，反型层变窄，沟道电阻变大，iD减小。
而当UGS从零减小到一定值时，反型层消失，漏一源之间导电沟道消失，iD=0。
此时的UGS称为夹断电压U（off）。
与N沟道结型场效应管相同，N沟道耗尽型MOS管的夹断电压也为负值；但是，前者只能在UGS<0的情况下工作，而后者的UGS可以在正、负值的一定范围内实现对iD的控制，且仍保持栅一源间有非常大的绝缘电阻。
耗尽型MOS管的符号见图2.4（b）所示。
图2.4（a）结构示意图图2.4（b）符号图
第三章UC3875原理和应用
3.1uc3875简介
Unitrode公司的UC3875，它有4个独立的输出驱动端可以直接驱动四只功率MOSFET管，见图3.1，其中OUTA和OUTB相位相反，OUTC和OUTD相位相反，而OUTC和OUTD相对于OUTA和OUTB的相位θ是可调的，也正是通过调节θ的大小来进行PWM控制的。
图3.1uc3875引脚图
3.1.1uc3875各个管脚简要说明
UC3875有20脚和28脚两种，这里仅介绍20脚的UC3875的管脚功能，表3.1.1为管脚功能简要说明。
表3.1.1uc3875管脚功能表
PIN
功能
PIN
功能
1
VREF
基准电压
10
VCC
电源电压
2
E/AOUT
误差放大器的输出
11
VIN
芯片供电电源
3
E/A－
误差放大器的反相输入
12
PWRGND
电源地
4
E/A＋
误差放大器的同相输入
16
FREQSET
频率设置端
5
C/S＋
电流检测
17
CLOCK/SYNC
时钟/同步
6
SOFT－START
软起动
18
SLOPE
陡度
7,15
DELAYSETA/B,C/D
输出延迟控制
19
RAMP
斜波
14,13,9,8
OUTA～OUTD
输出A～D
20
GND
信号地
管脚1可输出精确的5V基准电压，其电流可以达到60mA。
当VIN比较低时，芯片进入欠压锁定状态VREF消失。
直到VREF达到4.75V以上时才脱离欠压锁定状态。
最好的办法是接一个0.1μF旁路电容到信号地。
管脚2为电压反馈增益控制端，当误差放大器的输出电压低于1V时实现0°相移。
管脚3为误差放大器的反相输入端，该脚通常利用分压电阻检测输出电源电压。
管脚4为误差放大器的同相输入端，该脚与基准电压相连，以检测E/A-端的输出电源电压。
管脚5为电流检测端，该脚为电流故障比较器的同相输入端，其基准设置为内部固定2.5V（由VREF分压）。
当该脚的电压超过2.5V时电流故障动作，输出被关断，软起动复位，此脚可实现过流保护。
管脚6为软起动端，当输入电压（VIN）低于欠压锁定阈值（10.75V）时，该脚保持地电平，当VIN正常时该脚通过内部9μA电流源上升到4.8V，如果出现电流故障时该脚电压从4.8V下降到0V，此脚可实现过压保护。
管脚7、15为输出延迟控制端，通过设置该脚到地之间的电流来设置死区，加于同一桥臂两管驱动脉冲之间，以实现两管零电压开通时的瞬态时间，两个半桥死区可单独提供以满足不同的瞬态时间。
管脚14、13、9、8为输出OUTA～OUTD端，该脚为2A的图腾柱输出，可驱动MOSFET和变压器。
管脚10为电源电压端，该脚提供输出级所需电源，Vcc通常接3V以上电源，最佳为12V。
此脚应接一旁路电容到电源地。
管脚11为芯片供电电源端，该脚提供芯片内部数字、模拟电路部分的电源，接于12V稳压电源。
为保证芯片正常工作，在该脚电压低于欠压锁定阈值（10.75V）时停止工作。
此脚应接一旁路电容到信号地。
管脚12为电源地端。
其它相关的阻容网络与之并联，电源地和信号地应一点接地以降低噪声和直流降落。
管脚16为频率设置端，该脚与地之间通过一个电阻和电容来设置振荡频率，具体计算公式为：
f=4/（RfCf）。
管脚17为时钟/同步端，作为输出，提供时钟信号；作为输入，该脚提供一个同步点。
最简单的用法是：
具有不同振荡频率的多个UC3875可通过连接其同步端，使它们同步工作于最高频率。
该脚也可使其同步工作于外部时钟频率，但外部时钟频率需大于芯片的时钟频率。
管脚18为陡度端，该脚接一个电阻Rs将产生电流以形成斜波，连接这个电阻到输入电压将提供电压反馈。
管脚19为斜波端，该脚是PWM比较器的一个输入端，可通过一个电容CR连接到地，电压以下式陡度建立dv/dt=Vs/（RsCR）。
该脚可通过很少的器件实现电流方式控制，同时提供陡度补偿。
管脚20为信号地端，GND是所有电压的参考基准。
频率设置端（FREQSET）的振荡电容（Cf），基准电压（VREF）端的旁路电容和VIN的旁路电容以及RAMP端斜波电容（CR）都应就近可靠地接于信号地。
3.1.2uc3875的特点
UC3875为20脚双列直插DIP封装,储存温度范围为-65～+150℃,工作温度范围为-25～+80℃;工作结温150℃;引线温度300℃。
其电路参数额定值为:
电源电压20V;输出电流,直流015A,脉冲（015μs）3A;模拟I/0（脚1,2,3,4,5,6,7,15,16,17,18,19）电平为-0.3～5.3V。
其特点如下:
输出PWM脉冲0～100%占空比,可编程控制输出导通延迟,电压或电流型拓扑相兼容,开关工作频率为1MHz,4个2A图腾柱输出,10MHz误差放大器,欠压锁定（UVLO）,低的软上升电流（150μA）,具有软启动控制,有全周再启动过流比较门限及可调基准等。
UC3875用一个半桥支路对另一个半桥支路的相移开关实行全桥功率级的控制,使得固定频率脉宽调制与零电压谐振开关相结合。
振荡器工作频率约2MHz,实际应用的开关频率为1MHz;另外,控制器带时钟/同步端,可由外部信号对其同步。
3.2UC3875的应用
图3.2为UC3875的典型应用电路
图3.2典型应用电路
（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（7脚和15脚）的R62、C46和R61、C45确定，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。
（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，反馈输出电压和电流信号A0经处理与反相端（3脚）相连，再比较，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，使电压或电流稳定在预定值上。
（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。
可将高频变压器输出的电流经电流互感器耦合输出，再经整流、滤波及分压后，送至A1即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）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TC4427驱动电路、变压器驱动隔离电路等外围辅助电路。
移相式零电压软开关变换器和控制芯片UC3875的合理使用，使得所设计关电源具有高频、高效、体积小和轻量化的特点，这种软开关电路在通信电源和电力操作电源中得到广泛使用。
第四章PWM控制技术
PWM控制技术在逆变电路中的应用最为广泛，对逆变电路的影响也最为深刻。
现在大量应用的逆变电路中，绝大部分都是PWM型逆变电路。
可以说PWM控制技术正是有赖于在逆变电路中的应用，才发展得比较成熟，才确定可它在电力电子技术中的重要地位。
正因为如此，本章主要以逆变电路为控制对象来介绍PWM控制技术。
实际上，离开了PWM控制技术对逆变电路的介绍就是不完整的。
4.1PWM控制
脉宽调制（PWM:
PulseWidthModulation）是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。
简而言之，PWM是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。
通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。
PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有（ON），要么完全无（OFF）。
电压或电流源是以一种通（ON）或断（OFF）的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。
通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。
只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。
4.1.1PWM控制的基本原理
随着电子技术的发展，出现了多种PWM技术，其中包括：
相电压控制PWM、脉宽PWM法、随机PWM、SPWM法、线电压控制PWM等，而在镍氢电池智能充电器中采用的脉宽PWM法，它是把每一脉冲宽度均相等的脉冲列作为PWM波形，通过改变脉冲列的周期可以调频，改变脉冲的宽度或占空比可以调压，采用适当控制方法即可使电压与频率协调变化。
可以通过调整PWM的周期、PWM的占空比而达到控制充电电流的
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