專利名稱：具有無損緩沖電路的移相全橋開關(guān)電源變換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及電力電子技術(shù)以及數(shù)字控制技術(shù)領(lǐng)域，特別是使用DSP數(shù)字控制器，使得開關(guān)電源的高頻化和數(shù)字化相結(jié)合，能夠取得較好的實(shí)際效果。
背景技術(shù)：
開關(guān)電源由于其高功率密度、高效率等優(yōu)點(diǎn)，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用在計(jì)算機(jī)、電視機(jī)、通信設(shè)備、控制裝置等設(shè)備之中。開關(guān)電源的核心是DC-DC變換器，全橋變換器拓?fù)涫菄鴥?nèi)外DC-DC變換器電路中最常用的電路拓?fù)渲?，在中大功率?yīng)用場合更是首選拓?fù)洌?得到了廣泛的研究與應(yīng)用。全橋變換器主要由全橋逆變器和輸出整流濾波電路構(gòu)成，具有功率開關(guān)器件電壓、電流額定值較小，功率變壓器利用率較高等明顯優(yōu)點(diǎn)。傳統(tǒng)的PWM全橋變換器，由于工作在硬開關(guān)狀態(tài)，因而影響了效率的提高，從而制約了變換器的功率密度的提高、單位輸出功率的體積和重量的減少。為此，人們提出了軟開關(guān)技術(shù)來解決以上的問題。軟開關(guān)技術(shù)使電路主開關(guān)在零電壓或(和)零電流時開關(guān)動作，解決了硬開關(guān)狀態(tài)下的問題。目前，軟開關(guān)技術(shù)出現(xiàn)了兩種發(fā)展方向一個發(fā)展方向是附加開關(guān)或改變主電路拓?fù)涞刃问?，一般在換流器電路中都需要某種形式的L-C諧振電路，因此，稱之為諧振換流器。另一個發(fā)展方向是無損(低損)緩沖吸收電路。緩沖吸收電路，是最早的開關(guān)工作條件改善技術(shù)，其基本原理是在主開關(guān)所在功率回路上，以一容性支路與之并聯(lián)，以一感性元件與之串聯(lián)，利用電容兩端電壓和電感中電流不能突變的特性，在主管開關(guān)期間避免它同時承受高電壓大電流，實(shí)現(xiàn)開關(guān)工況的軟化。開關(guān)電源變換器的控制方式有雙極性控制方式、有限雙極性控制方式和移相控制方式三種。其中以移相控制方式為好，負(fù)載性質(zhì)不會導(dǎo)致輸出電壓波形畸變，在全橋軟開關(guān)變換器中得到了廣泛應(yīng)用。而將移相技術(shù)和軟開關(guān)技術(shù)完美結(jié)合的移相全橋ZVS-PWM變換器，以恒定頻率PWM方式工作，在功率器件開關(guān)過程中諧振，使其工作在軟開關(guān)狀態(tài)，兼顧了 PWM變換器和諧振變換器的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了功率管的ZVSaero-VoltageSwitch)工作方式， 開關(guān)頻率恒定。目前，開關(guān)電源的控制基本以模擬控制為主要的控制模式，然而，模擬控制有很多的缺點(diǎn)，如工作電漂移，不易升級，控制不精確等。隨著數(shù)字信號處理器DSP的出現(xiàn)，為開關(guān)電源的控制開辟了數(shù)字化的平臺，隨著它的性價比的不斷提高，開關(guān)電源的數(shù)字化已成為一個主要的發(fā)展趨勢。軟開關(guān)、高頻化、數(shù)字化、高效率是開關(guān)電源發(fā)展的重要方向，同時也是開關(guān)電源研究的重要內(nèi)容。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型目的是克服現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提出一種具有無損緩沖電路的移相全橋開關(guān)電源變換器。針對全橋拓?fù)涞奶攸c(diǎn)，采用移相全橋ZVS軟開關(guān)技術(shù)，成功實(shí)現(xiàn)了變換器的ZVS開關(guān)，大大降低變換器的開關(guān)損耗，提高了變換器的效率和功率密度。[0008]本實(shí)用新型將移相技術(shù)以及軟開關(guān)技術(shù)相結(jié)合，提出了具有無損緩沖電路的ZVS DC-DC變換器，并對變換器的驅(qū)動電路、保護(hù)電路、控制電路的設(shè)計(jì)和一些器件參數(shù)的計(jì)算進(jìn)行了比較詳細(xì)的分析。本實(shí)用新型提供的具有無損緩沖電路的移相全橋開關(guān)電源變換器，主要由輸入整流濾波電路、全橋變換器主電路、控制電路、驅(qū)動電路、輸出電流信號檢測電路、輸出電壓信號檢測電路和保護(hù)電路組成；全橋變換器主電路由依次連接的逆變電路、變壓器和輸出整流濾波電路組成，其中，輸入整流濾波電路連接全橋變換器主電路中的逆變電路，全橋變換器主電路中的輸出整流濾波電路連接負(fù)載，同時全橋變換器主電路中的輸出整流濾波電路經(jīng)電流信號檢測電路連接到控制電路TMS320F240，負(fù)載經(jīng)電壓信號檢測電路連接控制電路 TMS320F240，控制電路依次連接驅(qū)動電路和全橋變換器主電路中的逆變電路；同時，負(fù)載經(jīng)過流信號檢測電路連接保護(hù)電路，輸入整流濾波電路經(jīng)過壓信號檢測電路連接保護(hù)電路， 保護(hù)電路連接驅(qū)動電路和控制電路TMS320F240中的PWM發(fā)生器。輸入整流濾波電路將交流輸入變?yōu)橹绷麟娸斎氲饺珮蜃儞Q器中，全橋變換器將直流電變?yōu)槊}沖狀的交流電加到輸出整流電路上，經(jīng)過輸出整流電路的二極管進(jìn)行二次整流與電容平滑后變?yōu)橹绷鬏敵?，該直流輸出的一部分?jīng)電流信號檢測輸入到TMS320F240，一部分通過負(fù)載經(jīng)電壓信號檢測將檢測到的輸出電壓信號送到TMS320F240的AD轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，與參考值進(jìn)行比較，將偏差進(jìn)行PI運(yùn)算輸出后，與電流信號采樣的值進(jìn)行比較， 產(chǎn)生的偏差值進(jìn)行PI運(yùn)算后，控制移相角，使DSP的事件管理器控制產(chǎn)生兩對合適的互補(bǔ) PWM波形，并送到驅(qū)動電路，來控制主電路開關(guān)管的開通與關(guān)斷，使變換器正常工作。檢測到的輸入過壓和輸出過流信號送到保護(hù)電路，保護(hù)電路作出判斷后，如果系統(tǒng)工作不正常，將同時封鎖DSP和驅(qū)動電路，停止脈沖信號輸出，使變換器得到保護(hù)。全橋變換器主電路設(shè)計(jì)主要包括高頻變壓器設(shè)計(jì)以及功率開關(guān)管和副邊整流二極管的選擇(參見圖幻。高頻變壓器是開關(guān)電源的核心部件，是實(shí)現(xiàn)能量(功率)轉(zhuǎn)換傳輸?shù)闹饕骷?，同時，該器件又是開關(guān)電源體積和重量的主要占有者和發(fā)熱源。因此，要實(shí)現(xiàn)開關(guān)電源的小型輕量化，平面智能化和高可靠性的目標(biāo)，關(guān)鍵在于高頻變壓器的設(shè)計(jì)。對于功率開關(guān)管的選擇，本實(shí)用新型選用IGBT。IGBT是由GTR和MOSFET組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動式的電力電子器件，集GTR通態(tài)壓降小、載流密度大、耐壓高和MOSFET驅(qū)動功率小、 開關(guān)速度快、輸入阻抗高、熱穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)于一身，在許多領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。輸出整流二極管選用快恢復(fù)二極管?？刂齐娐钒ǚ答佇盘柋３植蓸与娐贰㈦娏髡{(diào)節(jié)電路、電壓調(diào)節(jié)電路和PWM發(fā)生器；其中，反饋信號保持采樣電路同時與電流調(diào)節(jié)電路和電壓調(diào)節(jié)電路連接，電流調(diào)節(jié)電路連接PWM發(fā)生器，PWM發(fā)生器的輸出連接驅(qū)動電路。主要是給全橋變換器主電路四個功率開關(guān)管提供PWM信號，使其實(shí)現(xiàn)零電壓導(dǎo)通和關(guān)斷，并且實(shí)現(xiàn)電壓、電流雙閉環(huán)，使系統(tǒng)穩(wěn)定的工作。本實(shí)用新型的控制電路采用數(shù)字控制器是美國TI公司生產(chǎn)的TMS320F240，它是 TI公司最新推出的32位數(shù)字信號處理器，是基于TMS320C2000數(shù)字信號處理器平臺開發(fā)的，它繼承了數(shù)字信號處理運(yùn)算速度快、信號實(shí)時處理的優(yōu)點(diǎn)。同時，它面向數(shù)字控制系統(tǒng)， 特別是面向運(yùn)動控制系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化，使得它能夠運(yùn)行復(fù)雜控制算法，如自適應(yīng)濾波、功率因數(shù)矯正、FFT算法以及繁重的矢量變換信號處理任務(wù)。專門為實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制系統(tǒng)(包括運(yùn)動控制系統(tǒng)等)而設(shè)計(jì)的芯片結(jié)構(gòu)大大簡化了目標(biāo)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，節(jié)省了系統(tǒng)的成本。
4[0013]驅(qū)動電路采用TOSHIBA公司生產(chǎn)的TLP250芯片(參見圖3)，該芯片具有光耦隔離放大功能，驅(qū)動能力強(qiáng)，隔離電壓高，響應(yīng)速度快。每一路信號都采用獨(dú)立的電源供電，有效避免了相互之間的電磁干擾，提高了系統(tǒng)的可靠性。本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)和有益效果與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本實(shí)用新型以移相全橋ZVS軟開關(guān)技術(shù)作為指導(dǎo)思想，提出具有無損緩沖電路的ZVS DC-DC變換器，在變壓器的副邊加入無損緩沖電路，與傳統(tǒng)的移相全橋變換器相比，能夠有效的解決整流二極管的反向電壓過沖問題?？刂齐娐凡捎脭?shù)字控制技術(shù)，選用美國TI公司的DSP為主電路四個功率開關(guān)管提供PWM信號，實(shí)現(xiàn)零電壓導(dǎo)通和關(guān)斷，并且實(shí)現(xiàn)電壓、電流雙閉環(huán)，使開關(guān)電源的高頻化和數(shù)字化相結(jié)合，相比模擬控制技術(shù)，具有控制精度高、控制能力強(qiáng)和系統(tǒng)穩(wěn)定工作等優(yōu)點(diǎn)。本實(shí)用新型還具有應(yīng)用范圍廣泛，軟開關(guān)負(fù)載范圍大，副邊整流二極管反向電壓小等優(yōu)點(diǎn)。

圖1是具有無損緩沖電路的移相全橋開關(guān)電源變換器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖；圖2是具有無損緩沖電路的全橋ZVS PWM DC-DC變換器；圖3是具有無損緩沖電路的移相全橋開關(guān)電源變換器驅(qū)動電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；圖4是具有無損緩沖電路的移相全橋開關(guān)電源變換器系統(tǒng)硬件框圖；圖5是具有無損緩沖電路的移相全橋開關(guān)電源變換器主程序流程圖；圖6是具有無損緩沖電路的移相全橋開關(guān)電源變換器移相PWM脈沖產(chǎn)生的程序流程圖。
具體實(shí)施方式
如圖1所示，本實(shí)用新型提供的具有無損緩沖電路的移相全橋開關(guān)電源變換器， 主要由輸入整流濾波電路、輸出整流濾波電路、全橋變換器主電路、控制電路、驅(qū)動電路、輸出電流信號檢測電路、輸出電壓信號檢測電路和保護(hù)電路組成；其中，輸入整流濾波電路將交流輸入變?yōu)橹绷麟娸斎氲饺珮蜃儞Q器主電路中，全橋變換器主電路將直流電變?yōu)槊}沖狀的交流電加到輸出整流濾波電路上，經(jīng)過輸出整流濾波電路中的二極管進(jìn)行二次整流與電容平滑后變?yōu)橹绷鬏敵?，該直流輸出的一部分?jīng)電流信號檢測電路輸入到TMS320F240，一部分通過負(fù)載經(jīng)電壓信號檢測電路將檢測到的輸出電壓信號送到TMS320F240的AD轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，與參考值進(jìn)行比較，將偏差進(jìn)行PI運(yùn)算輸出后，與電流信號采樣的值進(jìn)行比較，產(chǎn)生的偏差值進(jìn)行PI運(yùn)算后，控制移相角，使DSP的事件管理器控制產(chǎn)生兩對合適的互補(bǔ)PWM波形，并送到驅(qū)動電路，來控制全橋變換器主電路開關(guān)管的開通與關(guān)斷，使變換器正常工作。檢測到的輸入過壓和輸出過流信號送到保護(hù)電路，保護(hù)電路作出判斷后，如果系統(tǒng)工作不正常，將同時封鎖DSP和驅(qū)動電路，停止脈沖信號輸出，使變換器得到保護(hù)。為了使本領(lǐng)域的技術(shù)人員更好的理解本實(shí)用新型方案，
以下結(jié)合附圖對本實(shí)用新型作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。本實(shí)用新型設(shè)計(jì)的裝置樣機(jī)主要參數(shù)如下輸入電壓220V士 10%/AC50Hz[0027]輸出電壓額定值50V/DC，波動范圍45 60V輸出電流20A/DC開關(guān)頻率20kHz效率η >80%。一、全橋變換器主電路圖2為具有無損緩沖電路的全橋ZVS PWM DC-DC變換器，該變換器主要由全橋逆變電路(包括高頻變壓器，諧振電感和隔直電容)、輸出整流濾波電路以及由二極管、電容和電感組成的輔助電路構(gòu)成。與傳統(tǒng)的全橋ZVS PWM DC-DC變換器相比，加入無損緩沖電路后，即在滯后橋臂上并聯(lián)了一個輔助網(wǎng)絡(luò)。這樣，當(dāng)Q4關(guān)斷時，原邊電流、和輔助電感電流ia同時流入節(jié)點(diǎn)B ； 而當(dāng)Q2關(guān)斷時，ip和ia同時流出節(jié)點(diǎn)B。因此在開關(guān)管Q2和Q4開關(guān)時，原邊電流和輔助電感電流同時流入或流出節(jié)點(diǎn)B，兩個電流是相互增強(qiáng)的，這就是所謂電流增強(qiáng)原理。這兩個電流同時給開關(guān)管的并接電容放電，使之在各種工作狀態(tài)下，在開關(guān)管開通前抽完并聯(lián)于該管的電容的電荷，可以在很寬負(fù)載和輸入電壓范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)。副邊加了一個無損緩沖電路來解決整流二極管的反向電壓過沖問題。1、高頻變壓器高頻變壓器是開關(guān)電源的核心部件，是實(shí)現(xiàn)能量(功率)轉(zhuǎn)換傳輸?shù)闹饕骷?，同時，該器件又是開關(guān)電源體積和重量的主要占有者和發(fā)熱源。本實(shí)用新型選擇軟磁鐵氧體材料設(shè)計(jì)高頻變壓器，鐵氧體是一種陶瓷性的鐵磁材料，它是由氧化鐵和其他錳、鋅氧化物混合構(gòu)成的晶體，其特點(diǎn)是電阻率高、渦流損耗小，適合于高頻應(yīng)用。但由于其飽和磁通密度低，因此選擇最大磁通密度變化量ΔΒ為0. 2T，以保留足夠的裕量，保證變壓器不會發(fā)生磁飽和。(1)確定變壓器變比N變比N由輸入、輸出電壓以及占空比來確定。為了提高高頻變壓器的利用率，減小
開關(guān)管的電流，減小損耗和降低成本，高頻變壓器的原副邊變比應(yīng)盡量選大一些。變壓器變
Jr Vp FxD 220x0.9x0.8
比N禾口輸入輸出電壓的關(guān)系為.N = fr ^pj = 2x(50 + 1Q) = 1 -32(2)選擇磁芯磁心選擇根據(jù)AP法進(jìn)行設(shè)計(jì)，其公式為^ f R J" κ
Js mwj /其中:Ae和Aw分別是變壓器的磁心截面積和窗口面積；P。為輸出功率；fs為開關(guān)頻率；Bm為最大磁通密度，此處取0. 2T ；Kw為窗口使用系數(shù)，此處取0.5 ；Kj為變壓器繞組導(dǎo)體的電流密度，取4X 106A/m2 ；n為變壓器效率。
,,P01000參數(shù)帶入上式得^ 入 ^ f,Bm,K^K1,η = 20xl03x0.2x0.5x4xl06x0.8
6[0048]
權(quán)利要求1.一種具有無損緩沖電路的移相全橋開關(guān)電源變換器，其特征在于該變換器由輸入整流濾波電路、全橋變換器主電路、控制電路、驅(qū)動電路、輸出電流信號檢測電路、輸出電壓信號檢測電路和保護(hù)電路組成；全橋變換器主電路由依次連接的逆變電路、變壓器和輸出整流濾波電路組成，其中，輸入整流濾波電路連接全橋變換器主電路中的逆變電路，全橋變換器主電路中的輸出整流濾波電路連接負(fù)載，同時全橋變換器主電路中的輸出整流濾波電路經(jīng)電流信號檢測電路連接到控制電路TMS320F240，負(fù)載經(jīng)電壓信號檢測電路連接控制電路 TMS320F240，控制電路依次連接驅(qū)動電路和全橋變換器主電路中的逆變電路；同時，負(fù)載經(jīng)過流信號檢測電路連接保護(hù)電路，輸入整流濾波電路經(jīng)過壓信號檢測電路連接保護(hù)電路， 保護(hù)電路連接驅(qū)動電路和控制電路TMS320F240。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有無損緩沖電路的移相全橋開關(guān)電源變換器，其特征在于所述的控制電路包括反饋信號保持采樣電路、電流調(diào)節(jié)電路、電壓調(diào)節(jié)電路和PWM發(fā)生器； 其中，反饋信號保持采樣電路同時與電流調(diào)節(jié)電路和電壓調(diào)節(jié)電路連接，電流調(diào)節(jié)電路連接PWM發(fā)生器，PWM發(fā)生器的輸出連接驅(qū)動電路；保護(hù)電路與控制電路TMS320F240中的PWM 發(fā)生器連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的具有無損緩沖電路的移相全橋開關(guān)電源變換器，其特征在于所述的控制電路采用的是美國TI公司生產(chǎn)的控制電路TMS320F240。
專利摘要一種具有無損緩沖電路的移相全橋開關(guān)電源變換器。該開關(guān)電源變換器以全橋變換器作為主電路拓?fù)?、以?shù)字控制器DSP作為主控芯片、以移相控制方式作為控制方案，主要是由輸入整流濾波電路、輸出整流濾波電路、全橋變換器主電路、控制電路、驅(qū)動電路、輸出電流信號檢測電路、輸出電壓信號檢測電路和保護(hù)電路組成。在主電路變壓器的副邊加入無損緩沖電路，使得該變換器具有軟開關(guān)負(fù)載范圍大，副邊整流二極管反向電壓小等優(yōu)點(diǎn)。控制電路采用數(shù)字控制技術(shù)，主要用于給主電路四個功率開關(guān)管提供PWM信號，使其實(shí)現(xiàn)零電壓導(dǎo)通和關(guān)斷，并且實(shí)現(xiàn)了電壓、電流雙閉環(huán)控制，提高了變換器的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能。有利于降低生產(chǎn)成本，具有重大的生產(chǎn)實(shí)踐意義。
文檔編號H02M3/335GK202167993SQ20112029465
公開日2012年3月14日 申請日期2011年8月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月15日
發(fā)明者何宏, 鮑帥 申請人:天津理工大學(xué)