CN104779805A - 一种宽负载范围的移相全桥zvs变换器 - Google Patents

一种宽负载范围的移相全桥zvs变换器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种宽负载范围的移相全桥ZVS变换器，包括DSP控制器、第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管、变压器、二极管、电感、电容、负载、驱动电路以及采样电路，变压器包括一个原边绕组和两个副边绕组。本发明提出的移相全桥ZVS变换器为了增大软开关范围，提出一种对变压器原边电压进行采样并判断的方法，动态调整驱动脉冲的占空比，可以实现轻载实际工作时滞后桥臂软开关，提高了变换器转换效率。因此，本发明的宽负载范围的移相全桥ZVS变换器特别适用于对变换器效率要求较高及负载变动较大的场合。

Description

一种宽负载范围的移相全桥ZVS变换器
技术领域
本发明属于电力电子变换器技术领域，尤其涉及一种宽负载范围的移相全桥ZVS变换器。
背景技术
移相全桥ZVS变换器以其开关损耗小，电路元件少，电能的转换效率高，电源体积及重量小等优点，特别适合应用在中大功率场合。在通信应用领域，为服务器供电的大功率电源，常常是几个电源并联运行以提高系统供电的可靠性，这样电源一般都工作在轻载情况下，由于移相全桥ZVS变换器在轻载情况下，滞后桥臂不能实现软开关，致使电源效率偏低。
为了提高电源的效率，需要根据轻载工作情况设计电路参数，而电源实际工作中由于各种原因在轻载时并不能实现软开关。
同时现存的移相全桥ZVS变换器大多采用模拟元件、模拟控制方式，优点是响应快，但在许多方面存在不足。比如开关损耗过大致使变换器效率低等问题，同时，传统的模拟移相全桥ZVS变换器需要大量的分立元件，由此带来较高的成本，而且模拟器件之间连接复杂，给故障检测与维修带来较大困难，而且模拟控制易受环境(如噪声，环境温度、湿度、震动等)影响，稳定性较差。
发明内容
本发明目的在于解决上述现有技术中现存移相全桥ZVS变换器负载范围窄、成本高、效率低等缺陷，提出了一种宽负载范围的移相全桥ZVS变换器，。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种宽负载范围的移相全桥ZVS变换器，包括DSP控制器、第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管、变压器以及负载，变压器包括一个原边绕组和两个副边绕组；电压输入端并联有输入电解电容，输入电压通过第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管以及一个有源嵌位电路连接到变压器的原边绕组上，变压器的副边绕组通过整流滤波电路连接作为输出端的负载；DSP控制器的四路PWM输出通过驱动电路分别与第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管的栅极连接，同时DSP控制器完成输入电压、输出电压以及输出电流的采集。
所述第一MOS管和第三MOS管的漏极分别接电压输入端的正极，第一MOS管的源极和第二MOS管的漏极连接，第三MOS管的源极和第四MOS管的漏极连接，第二MOS管和第四MOS管的源极分别接地。
所述第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管以及第四MOS管的源极和漏极两端分别并联有第一二极管、第二二极管、第三二极管以及第四二极管，且第一二极管、第二二极管、第三二极管以及第四二极管的两端分别两联第一电容、第二电容、第三电容以及第四电容；四个MOS管的源极分别与二极管的阳极相连，漏极分别与二极管的阴极相连。
所述有源嵌位电路包括谐振电感、第七二极管以及第八二极管；第七二极管的阴极接电压输入端正极，第八二极管的阳极接电压输入端负极，第七二极管的阳极分别与第八二极管的阴极、谐振电感的一端以及变压器原边绕组同名端相连；谐振电感的另一端接在第一MOS管源极和第二MOS管漏极之间的连接点上；变压器原边绕组异名端连接在第三MOS管源极和第四MOS管漏极之间的连接点上。
所述整流滤波电路包括第五二极管、第六二极管、滤波电感以及输出滤波电容；变压器副边第一绕组同名端与第五二极管的阳极相连，副边第二绕组异名端与第六二极管的阳极相连，变压器副边第一绕组异名端和副边第二绕组同名端接地；第五二极管和第六二极管的阴极均连接到滤波电感的一端，滤波电感的另一端与电压输出端正极相连，输出滤波电容并联在负载两端。
所述DSP控制器的四个PWM输出通过驱动电路分别与第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管的栅极连接，DSP控制器的第一路模/数端与第一电压采样电路连接，第一电压采样电路采集第一MOS管源极和第二MOS管漏极的连接点与第三MOS管源极和第四MOS管漏极的连接点之间的电压；DSP控制器的第二路模/数端通过第二电压采样电路与电压输出端正极连接，第三路模/数端通过电流采样电路连接在变压器副边第一绕组异名端和地的连接点之间。
所述DSP控制器采用TMS320F28335。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明能够根据负载大小及A、B两端电压，适当调节移相角及占空比，当A、B两端电压较低时才为滞后桥臂施加驱动信号，从而真正实现轻载时滞后桥臂软开关，使变换器在较宽的负载范围内都具有很高的效率。本发明负载范围宽、效率高，负载范围可达到30％—100％，30％负载时效率达到80％，60％以上负载时达到85％以上；同时，本发明成本低，采样数字控制减少了大量的模拟器件；另外，本发明电路可靠性高，对电路中的电压过冲进行控制，保证电路可靠工作；当电路发生过流、过压、欠压时，能够封锁开关管实现对电路的保护。本发明可在非常宽的负载范围内实现软开关，通过变压器实现了低压端和高压端的隔离，通过采样电路和驱动电路实现了直流隔离，特别适用于对变换器效率要求较高及负载变动较大的场合。
附图说明
图1为本发明的电路图；
图2为本发明升压模式电路工作的波形图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施做详细的阐述。
参见图1，本发明包括TMS320F28335、第一MOS管Q1、第二MOS管Q2、第三MOS管Q3、第四MOS管Q4、变压器T、二极管、电感、电容、负载、驱动电路、采样电路，变压器T包括一个原边绕组和两个副边绕组。
第一MOS管Q1和第三MOS管Q3的漏极分别接高压端，第一MOS管Q1的源极和第二MOS管Q2的漏极连接，第三MOS管Q3的源极和第四MOS管Q4的漏极连接，第二MOS管Q2和第四MOS管Q4的源极分别接地；TMS320F28335的四个PWM输出通过驱动电路分别与第一MOS管Q1、第二MOS管Q2、第三MOS管Q3、第四MOS管Q4栅极连接，TMS320F28335的其第一路模/数端通过电压采样电路1与AB端连接，第二路模/数端通过电压采样电路2与低压端输出连接，第三路模/数端通过电流采样电路连接在变压器T副边第一绕组异名端和地的连接点之间。
变压器T的原边绕组的同名端通过漏感与第一MOS管Q1和第二MOS管Q2的连接点连接，异名端与第三MOS管Q3和第四MOS管Q4的连接点连接；高压端电解电容Cb正极接在高压端，负极接地；变压器T副边第一绕组同名端和第五二极管D5的阳极连接，异名端和变压器T副边第二绕组同名端与副边地连接；变压器T副边第二绕组异名端和第六二极管D6阳极连接。电感Lf一端和第五二极管D5阴极、第六二级管的阴极相连，另一端与低压端连接，电容Cf一端与输出正极连接，另一端与地连接，负载R接在正负输出之间。
本发明还包括变压器T原边的有源钳位电路，由第七二极管D7、第八二极管D8组成。第七二极管D7的阳极和第一MOS管Q1、第三MOS管Q3漏极连接，阴极和变压器T原边同名端相连；第八二极管D8的阳极和地连接，阴极和变压器T原边同名端相连。
当变换器工作于轻载时，在满足输出电压的前提下，判断A、B两端电压，当电压减小到一定程度时才给滞后桥臂施加驱动信号，这样可大大减小开关损耗，提高效率。
下面，对本发明的工作原理进行详细说明：
一个桥臂的两个开关管180°互补导通且中间存在死区，两个桥臂相差一个导通角，即所谓的移相角，调节移相角的大小可以对输出电压进行调节，第一MOS管Q1、第二MOS管Q2超前第三MOS管Q3、第四MOS管Q4一个相位，因此由第一MOS管Q1、第二MOS管Q2组成的桥臂为超前桥臂，而第三MOS管Q3、第四MOS管Q4组成的桥臂为滞后桥臂。第一MOS管Q1、第二MOS管Q2、第三MOS管Q3、第四MOS管Q4反并联有二极管，该二极管一般为MOS管寄生二极管，同时还并联有电容，该电容可以是寄生电容也可以是外部并联电容，在开关管的开通、关断过程中，电容和谐振电感发生谐振，使开关管在开通时漏源电压已经为零、关断时漏源电压缓慢上升，从而使开关管工作在软开关状态，使开关管开关损耗降为零。电路工作波形如图2所示：
t0—t1：t＝t0时，第一MOS管Q1关断，原边电流ip从原来的第一MOS管Q1转移到第一电容C1和第二电容C2支路上来，对第一电容C1进行充电，电容第二C2进行放电，副边只有第五二极管D5导通，滤波电感Lf可归算到原边，滤波电感Lf和谐振电感串联，由于Lf相当大，ip可以认为近似不变，ip给第一电容C1充电，第一电容C1电压线性上升，第二电容C2放电，第二电容C2电压线性下降，第一MOS管Q1为软关断。；
t1—t2：由于第二MOS管第一MOS管Q1、第二MOS管Q2Q2是在第二二极管D2导通之后才开通，第二MOS管Q2为ZVS开通，因此的驱动信号的死区时间td1应大于t01；
t2—t3：t＝t2时，第四MOS管Q4关断，ip为第三电容C3进行放电、为第四电容C4进行充电，则第四MOS管Q4为软关断。由于VAB＝-VC4，VAB变为负值，则变压器的感应电动势反向，第六二极管D6导通，第五二极管D5、第六二极管D6同时导通后将变压器的副边线圈短路，感应电动势为零，谐振电感Lr和第三电容C3、第四电容C4谐振；
t3—t4：在t＝t4时，第三二极管D3导通，这个时候开通第三MOS管Q3，则第三MOS管Q3为零电压开通，因此滞后桥臂的死区时间td2>t23。在t3～t4期间内，第二二极管D2、第三二极管D3续流，第五二极管D5、第六二极管D6也进行续流，第五二极管D5、第六二极管D6续流的同时将高频变压器的副边进行短路，从而使电感电流iLf下降，而第二二极管D2、第三D3续流将谐振电感Lr所储存的能量反送回电源，变压器原边电流ip线性减小；
t4—t5：在t＝t4时，变压器原边电流减小为零，由于此时第二MOS管Q2、第三MOS管Q3已经导通，所以变压器原边电流ip反向增大，但是变压器原边电流ip的值比较小，不足以为负载提供电流，第五二极管D5、第六二极管D6仍然同时导通，副边电压仍为零，t＝t5时，变压器原边电流ip的值达到输出滤波电感电流iLf归算到原边的值，第五二极管D5截止，第六二极管D6流过全部的电感电流；
t5—t6：在此期间内，第二MOS管Q2、第三MOS管Q3导通，电源Vin向负载供电，第六二极管D6导通，在VLf＝Vin/K-V0的作用下，输出滤波电感的电流线性增大，高频变压器原边电流也跟着线性增大。
系统设计目标是：在轻载情况下，当A、B两端的电压下降到较低值时为滞后桥臂施加驱动信号，及适当减小PWM驱动波形的占空比，从而实现滞后桥臂零电压开通，减小开关损耗，提高转换效率。
系统采用高性能的TMS320F28335芯片进行检测、控制，采样电路对电压、电流进行采样，采样数据进行模数转换，TMS320F28335芯片对数据进行处理，从而调节PWM的占空比及移相角，PWM经驱动电路后对开关管进行控制，对输出进行调节，如果采样数据异常，说明电路发生了故障，此时能够封锁所有开关管，实现对电路的保护。
以上所述的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所做的修改、等同替换、和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (7)

1.一种宽负载范围的移相全桥ZVS变换器，其特征在于：包括DSP控制器、第一MOS管(Q1)、第二MOS管(Q2)、第三MOS管(Q3)、第四MOS管(Q4)、变压器(T)以及负载(R)，变压器包括一个原边绕组和两个副边绕组；电压输入端(Vin)并联有输入电解电容(Cb)，输入电压通过第一MOS管(Q1)、第二MOS管(Q2)、第三MOS管(Q3)、第四MOS管(Q4)以及一个有源嵌位电路连接到变压器(T)的原边绕组上，变压器(T)的副边绕组通过整流滤波电路连接作为输出端的负载(R)；DSP控制器的四路PWM输出通过驱动电路分别与第一MOS管(Q1)、第二MOS管(Q2)、第三MOS管(Q3)、第四MOS管(Q4)的栅极连接，同时DSP控制器完成输入电压、输出电压以及输出电流的采集。
2.根据权利要求1所述的宽负载范围的移相全桥ZVS变换器，其特征在于：所述第一MOS管(Q1)和第三MOS管(Q3)的漏极分别接电压输入端(Vin)的正极，第一MOS管(Q1)的源极和第二MOS管(Q2)的漏极连接，第三MOS管(Q3)的源极和第四MOS管(Q4)的漏极连接，第二MOS管(Q2)和第四MOS管(Q4)的源极分别接地。
3.根据权利要求1或2所述的宽负载范围的移相全桥ZVS变换器，其特征在于：所述第一MOS管(Q1)、第二MOS管(Q2)、第三MOS管(Q3)以及第四MOS管(Q4)的源极和漏极两端分别并联有第一二极管(D1)、第二二极管(D2)、第三二极管(D3)以及第四二极管(D4)，且第一二极管(D1)、第二二极管(D2)、第三二极管(D3)以及第四二极管(D4)的两端分别两联第一电容(C1)、第二电容(C2)、第三电容(C3)以及第四电容(C4)；四个MOS管的源极分别与二极管的阳极相连，漏极分别与二极管的阴极相连。
4.根据权利要求2所述的宽负载范围的移相全桥ZVS变换器，其特征在于：所述有源嵌位电路包括谐振电感(Lr)、第七二极管(D7)以及第八二极管(D8)；第七二极管(D7)的阴极接电压输入端(Vin)正极，第八二极管(D8)的阳极接电压输入端(Vin)负极，第七二极管(D7)的阳极分别与第八二极管(D8)的阴极、谐振电感(Lr)的一端以及变压器(T)原边绕组同名端相连；谐振电感(Lr)的另一端接在第一MOS管(Q1)源极和第二MOS管(Q2)漏极之间的连接点上；变压器(T)原边绕组异名端连接在第三MOS管(Q3)源极和第四MOS管(Q4)漏极之间的连接点上。
5.根据权利要求1所述的宽负载范围的移相全桥ZVS变换器，其特征在于：所述整流滤波电路包括第五二极管(D5)、第六二极管(D6)、滤波电感(Lf)以及输出滤波电容(Cf)；变压器(T)副边第一绕组同名端与第五二极管(D5)的阳极相连，副边第二绕组异名端与第六二极管(D6)的阳极相连，变压器(T)副边第一绕组异名端和副边第二绕组同名端接地；第五二极管(D5)和第六二极管(D6)的阴极均连接到滤波电感(Lf)的一端，滤波电感(Lf)的另一端与电压输出端(Vo)正极相连，输出滤波电容(Cf)并联在负载(R)两端。
6.根据权利要求1所述的宽负载范围的移相全桥ZVS变换器，其特征在于：所述DSP控制器的四个PWM输出通过驱动电路分别与第一MOS管(Q1)、第二MOS管(Q2)、第三MOS管(Q3)、第四MOS管(Q4)的栅极连接，DSP控制器的第一路模/数端与第一电压采样电路连接，第一电压采样电路采集第一MOS管(Q1)源极和第二MOS管(Q2)漏极的连接点与第三MOS管(Q3)源极和第四MOS管(Q4)漏极的连接点之间的电压；DSP控制器的第二路模/数端通过第二电压采样电路与电压输出端(Vo)正极连接，第三路模/数端通过电流采样电路连接在变压器副边第一绕组异名端和地的连接点之间。
7.根据权利要求1或6所述的宽负载范围的移相全桥ZVS变换器，其特征在于：所述DSP控制器采用TMS320F28335。
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