移相PWM系列谐振DC-DC转换器示例设计

介绍：

DC-DC转换器广泛用于汽车和航空航天应用。如何管理电源转换设备产生的热量是最具挑战性的工作，因此，可以降低损耗的软开关转换器正变得越来越重要，其中移相PWM串联谐振拓扑就是一种这样的拓扑。

本文的示例是一个DC-DC转换器，该转换器具有一个直流电源，该直流电源馈送到受控的全桥逆变器，逆变器之后是一个串联谐振电路，该电路使用一个高频变压器来升高/降低交流电压，并在变压器的次级绕组上进行整流，以提供所需的直流输出电压。

电源电路：

移相串联谐振DC-DC转换器的功率级包括以下内容：

• 全桥逆变器
• 串联谐振元件
• 高频变压器
• 全桥二极管整流器
• 输出滤波电容
• 栅极驱动电路

下图是包含上述主要部分的电源电路。

图1 电源电路

全桥逆变器由四个根据电压、电流和开关频率等参数选择的功率MOSFET组成。这些 MOSFET使用移相PWM控制进行切换。该电桥的输入是直流电源，输出是在+VDC 和–VDC 之间切换的高频交流电压，在正循环和负循环之间有一个停滞时间。

接下来是串联谐振组件，即串联电感器和电容器。选择的谐振频率小于并接近开关频率，这将导致无接通损耗，并减少断开损耗，而接近开关频率会降低由谐振引起的峰值电流。串联谐振开关中，在打开开关之前，确保电感电流为零，并且开关以零电流导通。

当电流不为零时，左脚将关闭，并在其中产生损耗。但是，当电流已经为零时，右脚将变为OFF，这不会导致关闭损耗。这样，利用串联谐振可使功率开关中的开关损耗降低到最小。

高频变压器用于升高或降低电压。在当前示例中，为便于理解，选择了1:1变压器。全桥二极管整流器将来自变压器的交流电转换为直流电压。

二极管的选择方式必须使其能够在高开关频率下工作。输出电容器充当直流电压的滤波器，并吸收由串联谐振电流的整流产生的所有交流电流。

这是移相全桥串联谐振DC-DC转换器的完整电源电路。

控制电路

上述拓扑结构由“电压控制移相PWM”控制技术控制。下图2显示了用于生成四个控制脉冲 OUTA、OUTB、OUTC 和 OUTD 的控制逻辑。

图2 控制电路

一个简单的电压控制PI回路用于将输出电压控制在指定值。OUTC和OUTD相对于 OUTA和OUTB发生移相，以改变输入端的施加电压。这会按比例改变输出电压以跟踪所需的参考电压。开关频率可以通过更改Rt和Ct值来调整，就像TI的UC2895 IC一样。

用户可以参考数据表选择Rt和Ct值来改变开关频率。实际开关频率可能与数据表中计算的不完全相同，但非常接近。为了获得准确的开关频率，用户可以根据计算值稍微更改 Rt 和 Ct 值。

此控制可实现的最大占空比为40%，最小控制范围为15%。超出指定的限制，输出不受控制。

电路参数和仿真：

• 输入电压= 400V直流
• 输出电压= 200V
• 直流开关频率= 150kHz
• Lr = 1uH和Cr = 1.2uF，以获得〜145kHz的谐振频率
• 仿真时间10ms，步长10ns
• 负载从200ohm（1A输出）更改为10ohm（20A输出），输出电压调节至200V，纹波为7.5％。

可以根据设计要求通过更改PI控制器设计来进一步减少/调整。通过添加一个内部电流回路和一个带有2/3型PI控制器的外部回路，可以使控制更加稳健。

将瞬态仿真设置中的tniter参数增加到100，以使仿真成功运行。附件中提供了带有相关仿真设置的frm（设置）文件。

仿真结果：

通过上述控制电路成功实现了串联谐振的移相PWM控制。图 3 显示了桥的移相栅极脉冲、输出电压、输出电流、参考电压、电感器电流和桥电压。

可以观察到，当桥电压高时，电感电流呈正弦增加。一旦桥电压关闭，电感电流将在负循环开始之前续流并降至零。为电流变为零提供了足够的死区时间。

同样的现象也出现在负半周。

结论：

当前示例说明了用于低损耗DC-DC转换器应用的移相PWM串联谐振转换器的仿真。还解释了移相PWM控制和串联谐振操作。可以得出结论：由于串联谐振电流，导通损耗为零，而关断损耗最小。

通过添加一个内部电流环路和一个type-2电压控制器环路，可以进一步改进这项工作，以实现更好的控制并减少输出纹波。此外，这项工作可以扩展到 AC-DC 转换器和功率因数控制器应用。