移相PWM系列諧振DC-DC轉換器示例設計

介紹：

DC-DC轉換器廣泛用于汽車和航空航天應用。如何管理電源轉換設備產生的熱量是最具挑戰性的工作，因此，可以降低損耗的軟開關轉換器正變得越來越重要，其中移相PWM串聯諧振拓撲就是一種這樣的拓撲。

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

電源電路：

移相串聯諧振DC-DC轉換器的功率級包括以下內容：

• 全橋逆變器
• 串聯諧振元件
• 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

全橋逆變器由四個根據電壓、電流和開關頻率等參數選擇的功率MOSFET組成。這些 MOSFET使用移相PWM控制進行切換。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，在正循環和負循環之間有一個停滯時間。

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

當電流不為零時，左腳將關閉，并在其中產生損耗。但是，當電流已經為零時，右腳將變為OFF，這不會導致關閉損耗。這樣，利用串聯諧振可使功率開關中的開關損耗降低到最小。

高頻變壓器用于升高或降低電壓。在當前示例中，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換為直流電壓。

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

這是移相全橋串聯諧振DC-DC轉換器的完整電源電路。

控制電路

上述拓撲結構由“電壓控制移相PWM”控制技術控制。下圖2顯示了用于生成四個控制脈沖 OUTA、OUTB、OUTC 和 OUTD 的控制邏輯。

圖2 控制電路

一個簡單的電壓控制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。開關頻率可以通過更改Rt和Ct值來調整，就像TI的UC2895 IC一樣。

用戶可以參考數據表選擇Rt和Ct值來改變開關頻率。實際開關頻率可能與數據表中計算的不完全相同，但非常接近。為了獲得準確的開關頻率，用戶可以根據計算值稍微更改 Rt 和 Ct 值。

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

電路參數和仿真：

• 輸入電壓= 400V直流
• 輸出電壓= 200V
• 直流開關頻率= 150kHz
• Lr = 1uH和Cr = 1.2uF，以獲得?145kHz的諧振頻率
• 仿真時間10ms，步長10ns
• 負載從200ohm（1A輸出）更改為10ohm（20A輸出），輸出電壓調節至200V，紋波為7.5％。

可以根據設計要求通過更改PI控制器設計來進一步減少/調整。通過添加一個內部電流回路和一個帶有2/3型PI控制器的外部回路，可以使控制更加穩健。

將瞬態仿真設置中的tniter參數增加到100，以使仿真成功運行。附件中提供了帶有相關仿真設置的frm（設置）文件。

仿真結果：

通過上述控制電路成功實現了串聯諧振的移相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，當橋電壓高時，電感電流呈正弦增加。一旦橋電壓關閉，電感電流將在負循環開始之前續流并降至零。為電流變為零提供了足夠的死區時間。

同樣的現象也出現在負半周。

結論：

當前示例說明了用于低損耗DC-DC轉換器應用的移相PWM串聯諧振轉換器的仿真。還解釋了移相PWM控制和串聯諧振操作?？梢缘贸鼋Y論：由于串聯諧振電流，導通損耗為零，而關斷損耗最小。

通過添加一個內部電流環路和一個type-2電壓控制器環路，可以進一步改進這項工作，以實現更好的控制并減少輸出紋波。此外，這項工作可以擴展到 AC-DC 轉換器和功率因數控制器應用。