大功率桌面式適配器移相調(diào)寬DC/DC變換器

1.大功率電源適配器移相調(diào)寬變換器的基本工作原理

      移相調(diào)寬橋式變換器的主電路如圖4-40所示?圖中S1?S2?S3?S4表示器件內(nèi)部的開關(guān)管,VD?VD2?VD3?VD表示器件內(nèi)部的反并聯(lián)二極管,C?C2?C3?C表示器件的輸出電容與外接電容的總和,C表示桌面式適配器變壓器T的各種雜散電容之和?L是為改善換流條件而接入的,稱為換流電感?與傳統(tǒng)的PwM橋式電路相比,除增加了L,及VD1?VD2之外,電路拓?fù)洳o太大差別,其區(qū)別在于控制方式不同?傳統(tǒng)的PwM控制方式是對(duì)角線上的兩個(gè)開關(guān)管同時(shí)通/斷,其驅(qū)動(dòng)及輸出波形如圖4-41(a)所示,圖中Ua?Ua2?U??U分別表示4只開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)?當(dāng)橋路開通(S1?S4或S2?S3同時(shí)開通)時(shí),能量由適配器傳向負(fù)載;當(dāng)橋路關(guān)斷(所有器件均不開通)時(shí),變壓器T原邊電流為零,負(fù)載電流由桌面式適配器變壓器T副邊整流二極管續(xù)流副邊兩繞組內(nèi)電流大小相等而方向相反,使主變壓器保持磁平衡?一個(gè)開關(guān)周期可分為四個(gè)區(qū)間,即兩個(gè)能量傳輸期和兩個(gè)間歇期?

圖4-40移相調(diào)寬變換器主電路                圖441驅(qū)動(dòng)信號(hào)

     如果把Ua?U2的前沿向前展寬,使其寬度接近Ts/2,把Us?U的后沿向后展寬,使其寬度接近Ts/2,就得到如圖4-41(b)所示的驅(qū)動(dòng)信號(hào)?由圖4-41可知,左邊橋臂的驅(qū)動(dòng)信號(hào)比右邊橋臂的驅(qū)動(dòng)信號(hào)超前,即U比Uk超前,U比U超前,故稱左橋臂為超前橋臂,右橋臂為滯后橋臂?這樣安排的驅(qū)動(dòng)信號(hào)也把一個(gè)開關(guān)周期劃分為四個(gè)區(qū)間,對(duì)角線上的兩個(gè)開關(guān)管同時(shí)開通的兩個(gè)區(qū)間,即S1?S4(或S2?S3)同時(shí)開通?

     在這兩個(gè)區(qū)間內(nèi),能量由適配器傳向負(fù)載,我們稱之為有源期?在與適配器的同一條母線相聯(lián)接的兩個(gè)器件同時(shí)開通的兩個(gè)區(qū)間內(nèi),即VD4?S3(或VD2?S4)同時(shí)開通時(shí),變壓器原邊電流經(jīng)L,而形成慣性環(huán)流,無外界能量輸入,稱之為無源期?

就橋臂中點(diǎn)c?b之間的電壓而言,傳統(tǒng)PWM與移相PWM方式并無明顯差異?也就是說,兩種控制方式下,能量傳輸期的工作狀況并無明顯差異?而移相PWM方式下的無源期與傳統(tǒng)PWM方式下的間歇期則有實(shí)質(zhì)性的差別?在移相PWM控制方式下,正是無源期慣性環(huán)流的存在,才改變了橋臂元件和變壓器副邊整流二極管的換流過程?例如,當(dāng)S1關(guān)斷時(shí)按圖4-41,S4仍處在開通狀態(tài)?S1關(guān)斷后,電流將先使C充電,Ca放電?

     當(dāng)Uc(S2)=0時(shí)VD2開通,I將由變壓器原邊→L→→S4→VD構(gòu)成回路?在VD2開通期間,給出S2的驅(qū)動(dòng)信號(hào),就可使S2工作在零壓開通模式?當(dāng)S4關(guān)斷時(shí),如果L,儲(chǔ)能足夠,l將改經(jīng)由變壓器原邊→L→VD3→Va→VD2構(gòu)成的回路?在VD,開通期間,給出S3的驅(qū)動(dòng)信號(hào),就可使S3工作在零壓開通模式?

      由于器件工作在零壓開通模式,電壓先降到零后,電流再緩慢上升到通態(tài)值,所以開通損耗近似為零?另外,因器件開通前電壓已下降到零,器件固有電容上的電壓亦為零,解決了容性開通問題?同時(shí),由于待開通的器件電壓已先降到零,與之相串聯(lián)的二極管已經(jīng)截止,其反向恢復(fù)過程結(jié)束,因此二極管反向恢復(fù)問題亦不復(fù)存在?

另外,由于器件兩端并有電容,器件的關(guān)斷為準(zhǔn)零壓關(guān)斷?關(guān)斷指令發(fā)出后,電流迅速轉(zhuǎn)入電容中,由于受到電容的約束,器件兩端電壓的上升被延遲減緩,即電流先下降,電壓再緩慢上升到斷態(tài)值,因此關(guān)斷損耗近似為零,并且關(guān)斷電壓尖峰亦被電容吸收,使感性關(guān)斷問題得以解決

  2.大功率電源適配器逐脈限流功能的控制電路

      為了在惡劣負(fù)載條件下能不間斷供電,并確保功率模塊的安全,控制電路必須具有逐脈沖限流的功能?然而現(xiàn)有的移相調(diào)寬專用芯片UC3875不具備此功能?因此,控制電路采用具有逐脈沖限流功能的普通調(diào)寬芯片SG3525,經(jīng)變換而得到四路移相調(diào)寬信號(hào),其框圖如圖4-42所示?圖4-42中V1為SG3525脈寬調(diào)制芯片,“11”?“14”是其輸出端,輸出寬度受調(diào)制的脈沖?V2是脈沖振蕩器,輸出寬度為3ps的脈沖,V2A由“11”?“14”的上升沿觸發(fā),V2B由“11”?“14”的下降沿觸發(fā)?V3是R-S觸發(fā)器,產(chǎn)生四個(gè)寬度為Ts/2的方波?V4是與門,用于挖死區(qū),V4的輸出即為圖4-41(b)所示的四個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)?另外,在圖4-42中H為霍爾電流傳感器,運(yùn)放A用作比較器,當(dāng)電流超過設(shè)定門限時(shí),比較器輸出高電平并送至SG3525的⑩腳,實(shí)現(xiàn)逐脈沖關(guān)閉

圖4-42控制電路框圖

(1)變換器的主要指標(biāo)

      額定輸入:三相380V/50Hz;

      額定輸出:DC400A/36V;

      短路電流:不小于500A?

(2)主要器件及參數(shù)

      變壓器選用超微晶環(huán)形磁芯,外徑為130mm,內(nèi)徑為80mm,高30mm,開關(guān)頻率為18kHz,變壓器初級(jí)為26匝,次級(jí)為2×4匝?

      功率模塊選用富士公司的產(chǎn)品2MBI100L-120(100A/1200V)?次級(jí)整流管選用Motorola公司的產(chǎn)品MUR20030CT(3只)?次級(jí)繞組分為3組,構(gòu)成3個(gè)獨(dú)立的雙半波整流,然后并聯(lián)輸出,而不是3只整流管直接并聯(lián)?

      換流電感采用2副E-20鐵氧體磁芯,8匝,氣隙約為2mm,電感量約為35H?

      模塊集?射之間的并聯(lián)電容為7200pF根據(jù)以上設(shè)計(jì)的參數(shù)制成的實(shí)際產(chǎn)品,經(jīng)檢測(cè),其整機(jī)效率(包含輸入整流濾波損耗?冷卻風(fēng)機(jī)損耗?輔助電路功耗在內(nèi))高達(dá)90%移相調(diào)寬全橋變換電路實(shí)現(xiàn)了桌面式大功率電源適配器功率器件的零電壓開通和準(zhǔn)零電壓關(guān)斷,克服了硬開關(guān)模式的固有缺陷,損耗降低,效率更高?實(shí)踐表明容性開通和二極管反向恢復(fù)所產(chǎn)生的短促電流脈沖幅值高,頻譜寬,是干擾的主要來源?零電壓開通模式消除了這個(gè)主要干擾源,使干擾電平大為降低?基于上述兩點(diǎn),移相調(diào)寬全橋變換電路特別適宜于用作大功率DC/DC變換器?