全桥移相开关电源设计解析

　　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

　　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。