移相PWM系列諧振DC-DC轉(zhuǎn)換器示例設(shè)計(jì)

介紹：

DC-DC轉(zhuǎn)換器廣泛用于汽車和航空航天應(yīng)用。如何管理電源轉(zhuǎn)換設(shè)備產(chǎn)生的熱量是最具挑戰(zhàn)性的工作，因此，可以降低損耗的軟開關(guān)轉(zhuǎn)換器正變得越來越重要，其中移相PWM串聯(lián)諧振拓?fù)渚褪且环N這樣的拓?fù)洹?/p>

本文的示例是一個(gè)DC-DC轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器具有一個(gè)直流電源，該直流電源饋送到受控的全橋逆變器，逆變器之后是一個(gè)串聯(lián)諧振電路，該電路使用一個(gè)高頻變壓器來升高/降低交流電壓，并在變壓器的次級繞組上進(jìn)行整流，以提供所需的直流輸出電壓。

電源電路：

移相串聯(lián)諧振DC-DC轉(zhuǎn)換器的功率級包括以下內(nèi)容：

• 全橋逆變器
• 串聯(lián)諧振元件
• 高頻變壓器
• 全橋二極管整流器
• 輸出濾波電容
• 柵極驅(qū)動電路

下圖是包含上述主要部分的電源電路。

圖1 電源電路

全橋逆變器由四個(gè)根據(jù)電壓、電流和開關(guān)頻率等參數(shù)選擇的功率MOSFET組成。這些 MOSFET使用移相PWM控制進(jìn)行切換。該電橋的輸入是直流電源，輸出是在+VDC 和–VDC 之間切換的高頻交流電壓，在正循環(huán)和負(fù)循環(huán)之間有一個(gè)停滯時(shí)間。

接下來是串聯(lián)諧振組件，即串聯(lián)電感器和電容器。選擇的諧振頻率小于并接近開關(guān)頻率，這將導(dǎo)致無接通損耗，并減少斷開損耗，而接近開關(guān)頻率會降低由諧振引起的峰值電流。串聯(lián)諧振開關(guān)中，在打開開關(guān)之前，確保電感電流為零，并且開關(guān)以零電流導(dǎo)通。

當(dāng)電流不為零時(shí)，左腳將關(guān)閉，并在其中產(chǎn)生損耗。但是，當(dāng)電流已經(jīng)為零時(shí)，右腳將變?yōu)镺FF，這不會導(dǎo)致關(guān)閉損耗。這樣，利用串聯(lián)諧振可使功率開關(guān)中的開關(guān)損耗降低到最小。

高頻變壓器用于升高或降低電壓。在當(dāng)前示例中，為便于理解，選擇了1:1變壓器。全橋二極管整流器將來自變壓器的交流電轉(zhuǎn)換為直流電壓。

二極管的選擇方式必須使其能夠在高開關(guān)頻率下工作。輸出電容器充當(dāng)直流電壓的濾波器，并吸收由串聯(lián)諧振電流的整流產(chǎn)生的所有交流電流。

這是移相全橋串聯(lián)諧振DC-DC轉(zhuǎn)換器的完整電源電路。

控制電路

上述拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由“電壓控制移相PWM”控制技術(shù)控制。下圖2顯示了用于生成四個(gè)控制脈沖 OUTA、OUTB、OUTC 和 OUTD 的控制邏輯。

圖2 控制電路

一個(gè)簡單的電壓控制PI回路用于將輸出電壓控制在指定值。OUTC和OUTD相對于 OUTA和OUTB發(fā)生移相，以改變輸入端的施加電壓。這會按比例改變輸出電壓以跟蹤所需的參考電壓。開關(guān)頻率可以通過更改Rt和Ct值來調(diào)整，就像TI的UC2895 IC一樣。

用戶可以參考數(shù)據(jù)表選擇Rt和Ct值來改變開關(guān)頻率。實(shí)際開關(guān)頻率可能與數(shù)據(jù)表中計(jì)算的不完全相同，但非常接近。為了獲得準(zhǔn)確的開關(guān)頻率，用戶可以根據(jù)計(jì)算值稍微更改 Rt 和 Ct 值。

此控制可實(shí)現(xiàn)的最大占空比為40%，最小控制范圍為15%。超出指定的限制，輸出不受控制。

電路參數(shù)和仿真：

• 輸入電壓= 400V直流
• 輸出電壓= 200V
• 直流開關(guān)頻率= 150kHz
• Lr = 1uH和Cr = 1.2uF，以獲得?145kHz的諧振頻率
• 仿真時(shí)間10ms，步長10ns
• 負(fù)載從200ohm（1A輸出）更改為10ohm（20A輸出），輸出電壓調(diào)節(jié)至200V，紋波為7.5％。

可以根據(jù)設(shè)計(jì)要求通過更改PI控制器設(shè)計(jì)來進(jìn)一步減少/調(diào)整。通過添加一個(gè)內(nèi)部電流回路和一個(gè)帶有2/3型PI控制器的外部回路，可以使控制更加穩(wěn)健。

將瞬態(tài)仿真設(shè)置中的tniter參數(shù)增加到100，以使仿真成功運(yùn)行。附件中提供了帶有相關(guān)仿真設(shè)置的frm（設(shè)置）文件。

仿真結(jié)果：

通過上述控制電路成功實(shí)現(xiàn)了串聯(lián)諧振的移相PWM控制。圖 3 顯示了橋的移相柵極脈沖、輸出電壓、輸出電流、參考電壓、電感器電流和橋電壓。

可以觀察到，當(dāng)橋電壓高時(shí)，電感電流呈正弦增加。一旦橋電壓關(guān)閉，電感電流將在負(fù)循環(huán)開始之前續(xù)流并降至零。為電流變?yōu)榱闾峁┝俗銐虻乃绤^(qū)時(shí)間。

同樣的現(xiàn)象也出現(xiàn)在負(fù)半周。

結(jié)論：

當(dāng)前示例說明了用于低損耗DC-DC轉(zhuǎn)換器應(yīng)用的移相PWM串聯(lián)諧振轉(zhuǎn)換器的仿真。還解釋了移相PWM控制和串聯(lián)諧振操作?？梢缘贸鼋Y(jié)論：由于串聯(lián)諧振電流，導(dǎo)通損耗為零，而關(guān)斷損耗最小。

通過添加一個(gè)內(nèi)部電流環(huán)路和一個(gè)type-2電壓控制器環(huán)路，可以進(jìn)一步改進(jìn)這項(xiàng)工作，以實(shí)現(xiàn)更好的控制并減少輸出紋波。此外，這項(xiàng)工作可以擴(kuò)展到 AC-DC 轉(zhuǎn)換器和功率因數(shù)控制器應(yīng)用。