主直流稳压电源电路分析

这款软开关直流稳压电源采用了全桥变换器结构，使用MOSFET作为开关管来使用，参数为1000V/24A。采用移相ZVZCSPWM控制，即超前臂开关管实现ZVS、滞后臂开关管实现ZCS。直流稳压电源电路结构简图如图1，VT1~VT4是全桥变换器的四只MOSFET开关管，VD1、VD2分别是超前臂开关管VT1、VT2的反并超快恢复二极管，C1、C2分别是为了实现VTl、VT2的ZVS设置的高频电容，VD3、VD4是反向直流稳压电源电流阻断二极管，用来实现滞后臂VT3、VT4的ZCS，Llk为变压器漏感，Cb为阻断电容，T为主变压器，副边由VD5~VD8构成的高频整流直流稳压电源电路以及Lf、C3、C4等滤波器件组成。

直流稳压电源基本工作原理如下：

当开关管VT1、VT4或VT2、VT3同时导通时，直流稳压电源电路工作情况与全桥变换器的硬开关工作模式情况一样，主变压器原边向负载提供能量。通过移相控制，在关断VT1时并不马上关断VT4，而是根据输出反馈信号决定移相角，经过一定时间后再关断VT4，在关断VT1之前，由于VT1导通，其并联电容C1上直流稳压电源电压等于VT1的导通压降，理想状况下其值为零，当关断VT1时刻，C1开始充电，由于电容直流稳压电源电压不能突变，因此，VT1即是零直流稳压电源电压关断。

由于变压器漏感L1k以及副边整流滤波电感的作用，VT1关断后，原边直流稳压电源电流不能突变，继续给Cb充电，同时C2也通过原边放电，当C2直流稳压电源电压降到零后，VD2自然导通，这时开通VT2，则VT2即是零直流稳压电源电压开通。

当C1充满电、C2放电完毕后，由于VD2是导通的，此时加在变压器原边绕组和漏感上的直流稳压电源电压为阻断电容Cb两端直流稳压电源电压，原边直流稳压电源电流开始减小，但继续给Cb充电，直到原边直流稳压电源电流为零，这时由于VD4的阻断作用，电容Cb不能通过VT2VT4、VD4进行放电，Cb两端直流稳压电源电压维持不变，这时流过VT4直流稳压电源电流为零，关断VT4即是零直流稳压电源电流关断。

关断VT4以后，经过预先设置的死区时间后开通VT3，由于直流稳压电源电压器漏感的存在，原边直流稳压电源电流不能突变，因此VT3即是零直流稳压电源电流开通。

VT2、VT3同时导通后原边向负载提供能量，一定时间后关断VT2。由于C2的存在，VT2是零直流稳压电源电压关断，如同前面分析，原边直流稳压电源电流这时不能突变，C1经过VD3、VT3。Cb放电完毕后，VD1自然导通，此时开通VT1即是零直流稳压电源电压开通，由于VD3的阻断，原边直流稳压电源电流降为零以后，关断VT3，则VT3即是零直流稳压电源电流关断，经过预选设置好的死区时间延迟后开通VT4，由于变压器漏感及副边滤波电感的作用，原边直流稳压电源电流不能突变，VT4即是零直流稳压电源电流开通。

ZVZCS PWM全桥变换器拓扑的理想工作波形如图2所示，其中Uab表示主直流稳压电源电路图3中a、b两点之间的直流稳压电源电压，ip为变压器T原边直流稳压电源电

流，Ucb为阻断电容Ub上的直流稳压电源电压，Urect是副边整流后的直流稳压电源电压。

UC3875的直流稳压电源主控制回路设计

为了实现主回路开关管ZVZCS软开关，采用UC3875为其设计了PWM移相控制直流稳压电源电路，如图3所示。考虑到所选MOSFET功率比较大，对芯片的四个输出驱动信号进行了功率放大，再经高频脉冲变压器T1、T2隔离，最后经过驱动直流稳压电源电路驱动MOSFET开关管。

 

整个控制系统所有供电均用同一个15V直流直流稳压电源，实验中设置开关频率为70kHz，死区时间设置为1.5μs，采用简单的直流稳压电源电压控制模式，直流稳压电源输出直流直流稳压电源电压通过采样直流稳压电源电路、光电隔离直流稳压电源电路后形成控制信号，输入到UC3875误差放大器的EA，控制UC3875误差放大器的输出，从而控制芯片四个输出之间的移相角大小，使直流稳压电源能够稳定工作，图中R6、C5接在EA和E/AOUT之间构成PI控制。在本设计中把CS+端用作故障保护直流稳压电源电路，当发生输出过压、输出过流、高频变原边过流、开关管过热等故障时，通过一定的转换直流稳压电源电路，把故障信号转换为高于2.5V的直流稳压电源电压接到CS+端，使UC3875四个输出驱动信号全为低电平，对直流稳压电源电路实现保护。

图4是开关管的驱动直流稳压电源电路。隔离变压器的设计采用AP法，变比为1:1.3的三绕组变压器。UC3875输出的单极性脉冲经过放大直流稳压电源电路、隔离直流稳压电源电路和驱动直流稳压电源电路后形成+12V/一5V的双极性驱动脉冲，保证开关管的稳定开通和关断。

 

仿真与实验结果分析

PSpice是一款功能强大的直流稳压电源电路分析软件，对开关频率70kHz的ZVZCS软开关直流稳压电源的仿真是在PSpice9.1平台上进行的。

实验样机的主回路结构采用图1所示的直流稳压电源电路拓扑，阻断二极管采用超快恢复大功率二极管RHRG30120，其反向恢复时间在100ns以内，满足70kHz开关频率的要求。开关管MOSFET采用IXYS公司的IXFK24N100开关管，这种型号MOS管自身反并有超快恢复二极管，其反向恢复时间约250ns。

图5是超前桥臂开关管驱动直流稳压电源电压与管压降波形图，(a)为仿真波形、(b)为实验波形，可见超前臂开关管完全实现了ZVS开通，VT1、VT2关断时是依赖其自身很小的结电容来实现的，从图中可以看出，关断时也基本实现了ZVS关断。

图6是滞后桥臂开关管驱动直流稳压电源电压与直流稳压电源电流波形图，(a)为仿真波形、(b)为实验波形;

图7是滞后桥臂开关管管压降与直流稳压电源电流波形图，(a)为仿真波形、(b)为实验波形。

从图6、图7可以看出滞后臂开关管VT3、VT4很好地实现了ZCS关断，关断时开关管直流稳压电源电流已经为零。滞后臂开关管完全开通之前，开关管直流稳压电源电流也几乎为零，基本实现了ZCS开通。而且滞后桥臂开关管VT3、VT4可以在很大负载范围内实现ZCS开关。

图8是两桥臂中点之间的直流稳压电源电压Uab的波形图，(a)为仿真波形、(b)为实验波形。

从上图可以看出，由于有Ucb的存在，Uab不是一个方波。当Uab=0时，阻断电容Cb上的直流稳压电源电压Ucb使原边直流稳压电源电流ip逐渐减小到零，由于阻断二极管的阻断作用，ip不能反向流动，从而实现了滞后桥臂的ZCS开关。

综上所述，我们能够发现，直流稳压电源采用UC3875作为核心控制器件的好处是结构简单、性能可靠。并且主直流稳压电源电路的开关管全部实现了软开关，同时还避免了ZVS以及ZCS模式当中常见的一些错误。能够显著的减少在开关过程当中开关管发生的损耗，进而提高开关频率，减少直流稳压电源的体积并减轻重量。