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DC-DC变换器原理解析

  系统采用电压闭环控制方式,调节器采用变参数数字PI算法,实现了模拟系统难以实现的复杂算法和方便灵活的移相控制方案。通过一台2 kW样机进行了实验,实验系统的开关频率为2 kHz。

  引言

  移相全桥ZVS DCDC变换器是目前应用最广泛的软开关电路之一。作为一种具有优良性能的移相全桥变换器,其两个桥臂的开关管均在零电压软开关条件下运行,开关损耗小,结构简单,顺应了直流电源小型化、高频化的发展趋势,因此在中大功率DCDC变换场合得到了广泛应用,而系统数字化控制可进一步提高系统的可靠性。数字化系统具备完整的可编程能力,它使程序修改、算法升级、功能移植都非常容易,相对于模拟控制方式具有明显的优势。DCDC变换器的数字化控制是当前的研究热点之一。本文分析了主电路原理,采用TMS320LF2407作为主控芯片实现了ZVS DCDC变换器的全数字控制,并给出了实验结果。

  1 主电路拓扑及工作原理

  ZVS PWM DCDC全桥变换器的主电路结构如图1所示,其主要波形如图2所示。由图1可见,电路结构与普通双极性PWM变换器类似。 Q1、D1 和Q4、D4组成超前桥臂、Q2、D2和Q3、D3组成滞后桥臂;C1~C4分别是Q1~Q4的谐振电容,包括寄生电容和外接电容;Lr是谐振电感,包括变压器的漏感;T副方和DR1、DR2组成全波整流电路,Lf、Cf组成输出滤波器,RL是负载。Q1和Q3分别超前Q4和Q2一定相位(即移相角),通过调节移相角的大小来调节输出电压。由图2可见,在一个开关周期中,移相全桥ZVS PWM DCDC变换器有12种开关模态,通过控制4个开关管 Q1~Q4,在A、B两点得到一个幅值为Vin的交流方波电压;经过高频变压器的隔离变压后,在变压器副方得到一个幅值为Vin/K的交流方波电压,然后通过由DR1和DR2构成的输出整流桥,得到幅值为Vin/K的直流方波电压。这个直流方波电压经过Lf和Cf组成的输出滤波器后成为一个平直的直流电压,其电压值为

  UO=DVin/K(D是占空比)。Ton是导通时间,Ts是开关周期(Ts=t12-t0)。通过调节占空比D来调节输出电压UO。

DC-DC变换器原理解析

  图1 变换器主电路结构

DC-DC变换器原理解析

  图2 变换器主要波形

  由波形图可见,移相全桥电路控制方式的特点是:

  ① 在一个开关周期Ts内,每个开关导通时间都略小于Ts/2,而关断时间略大于Ts/2。

  ② 同一个半桥中,上、下两个开关不能同时处于开通状态,每个开关关断到另一个开关开通都要经过一定的死区时间。

  ③ 比较互为对角的两对开关管Q1、Q4和Q2、Q3的开关函数波形,Q1的波形比Q4的波形超前0~ Ton/2时间,Q2的波形比Q3的波形超前0~ Ton/2时间,因此Q1和Q2为超前桥臂, Q3和Q4为滞后桥臂。

  
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