專利名稱：具有無損緩沖電路的移相全橋開關電源變換器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及電力電子技術以及數字控制技術領域，特別是使用DSP數字控制器，使得開關電源的高頻化和數字化相結合，能夠取得較好的實際效果。
背景技術：
開關電源由于其高功率密度、高效率等優點，目前已經廣泛應用在計算機、電視機、通信設備、控制裝置等設備之中。開關電源的核心是DC-DC變換器，全橋變換器拓撲是國內外DC-DC變換器電路中最常用的電路拓撲之一，在中大功率應用場合更是首選拓撲， 得到了廣泛的研究與應用。全橋變換器主要由全橋逆變器和輸出整流濾波電路構成，具有功率開關器件電壓、電流額定值較小，功率變壓器利用率較高等明顯優點。傳統的PWM全橋變換器，由于工作在硬開關狀態，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，人們提出了軟開關技術來解決以上的問題。軟開關技術使電路主開關在零電壓或(和)零電流時開關動作，解決了硬開關狀態下的問題。目前，軟開關技術出現了兩種發展方向一個發展方向是附加開關或改變主電路拓撲等形式，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，是最早的開關工作條件改善技術，其基本原理是在主開關所在功率回路上，以一容性支路與之并聯，以一感性元件與之串聯，利用電容兩端電壓和電感中電流不能突變的特性，在主管開關期間避免它同時承受高電壓大電流，實現開關工況的軟化。開關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，負載性質不會導致輸出電壓波形畸變，在全橋軟開關變換器中得到了廣泛應用。而將移相技術和軟開關技術完美結合的移相全橋ZVS-PWM變換器，以恒定頻率PWM方式工作，在功率器件開關過程中諧振，使其工作在軟開關狀態，兼顧了 PWM變換器和諧振變換器的優點，實現了功率管的ZVSaero-VoltageSwitch)工作方式， 開關頻率恒定。目前，開關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，如工作電漂移，不易升級，控制不精確等。隨著數字信號處理器DSP的出現，為開關電源的控制開辟了數字化的平臺，隨著它的性價比的不斷提高，開關電源的數字化已成為一個主要的發展趨勢。軟開關、高頻化、數字化、高效率是開關電源發展的重要方向，同時也是開關電源研究的重要內容。
發明內容本實用新型目的是克服現有技術存在的上述不足，提出一種具有無損緩沖電路的移相全橋開關電源變換器。針對全橋拓撲的特點，采用移相全橋ZVS軟開關技術，成功實現了變換器的ZVS開關，大大降低變換器的開關損耗，提高了變換器的效率和功率密度。[0008]本實用新型將移相技術以及軟開關技術相結合，提出了具有無損緩沖電路的ZVS DC-DC變換器，并對變換器的驅動電路、保護電路、控制電路的設計和一些器件參數的計算進行了比較詳細的分析。本實用新型提供的具有無損緩沖電路的移相全橋開關電源變換器，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載，同時全橋變換器主電路中的輸出整流濾波電路經電流信號檢測電路連接到控制電路TMS320F240，負載經電壓信號檢測電路連接控制電路 TMS320F240，控制電路依次連接驅動電路和全橋變換器主電路中的逆變電路；同時，負載經過流信號檢測電路連接保護電路，輸入整流濾波電路經過壓信號檢測電路連接保護電路， 保護電路連接驅動電路和控制電路TMS320F240中的PWM發生器。輸入整流濾波電路將交流輸入變為直流電輸入到全橋變換器中，全橋變換器將直流電變為脈沖狀的交流電加到輸出整流電路上，經過輸出整流電路的二極管進行二次整流與電容平滑后變為直流輸出，該直流輸出的一部分經電流信號檢測輸入到TMS320F240，一部分通過負載經電壓信號檢測將檢測到的輸出電壓信號送到TMS320F240的AD轉換器進行數模轉換，與參考值進行比較，將偏差進行PI運算輸出后，與電流信號采樣的值進行比較， 產生的偏差值進行PI運算后，控制移相角，使DSP的事件管理器控制產生兩對合適的互補 PWM波形，并送到驅動電路，來控制主電路開關管的開通與關斷，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電路，保護電路作出判斷后，如果系統工作不正常，將同時封鎖DSP和驅動電路，停止脈沖信號輸出，使變換器得到保護。全橋變換器主電路設計主要包括高頻變壓器設計以及功率開關管和副邊整流二極管的選擇(參見圖幻。高頻變壓器是開關電源的核心部件，是實現能量(功率)轉換傳輸的主要器件，同時，該器件又是開關電源體積和重量的主要占有者和發熱源。因此，要實現開關電源的小型輕量化，平面智能化和高可靠性的目標，關鍵在于高頻變壓器的設計。對于功率開關管的選擇，本實用新型選用IGBT。IGBT是由GTR和MOSFET組成的復合全控型電壓驅動式的電力電子器件，集GTR通態壓降小、載流密度大、耐壓高和MOSFET驅動功率小、 開關速度快、輸入阻抗高、熱穩定性好的優點于一身，在許多領域獲得廣泛應用。輸出整流二極管選用快恢復二極管。控制電路包括反饋信號保持采樣電路、電流調節電路、電壓調節電路和PWM發生器；其中，反饋信號保持采樣電路同時與電流調節電路和電壓調節電路連接，電流調節電路連接PWM發生器，PWM發生器的輸出連接驅動電路。主要是給全橋變換器主電路四個功率開關管提供PWM信號，使其實現零電壓導通和關斷，并且實現電壓、電流雙閉環，使系統穩定的工作。本實用新型的控制電路采用數字控制器是美國TI公司生產的TMS320F240，它是 TI公司最新推出的32位數字信號處理器，是基于TMS320C2000數字信號處理器平臺開發的，它繼承了數字信號處理運算速度快、信號實時處理的優點。同時，它面向數字控制系統， 特別是面向運動控制系統進行了優化，使得它能夠運行復雜控制算法，如自適應濾波、功率因數矯正、FFT算法以及繁重的矢量變換信號處理任務。專門為實現數字控制系統(包括運動控制系統等)而設計的芯片結構大大簡化了目標控制系統的結構，節省了系統的成本。
4[0013]驅動電路采用TOSHIBA公司生產的TLP250芯片(參見圖3)，該芯片具有光耦隔離放大功能，驅動能力強，隔離電壓高，響應速度快。每一路信號都采用獨立的電源供電，有效避免了相互之間的電磁干擾，提高了系統的可靠性。本實用新型的優點和有益效果與現有技術相比較，本實用新型以移相全橋ZVS軟開關技術作為指導思想，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。控制電路采用數字控制技術，選用美國TI公司的DSP為主電路四個功率開關管提供PWM信號，實現零電壓導通和關斷，并且實現電壓、電流雙閉環，使開關電源的高頻化和數字化相結合，相比模擬控制技術，具有控制精度高、控制能力強和系統穩定工作等優點。本實用新型還具有應用范圍廣泛，軟開關負載范圍大，副邊整流二極管反向電壓小等優點。
圖1是具有無損緩沖電路的移相全橋開關電源變換器系統結構框圖；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電源變換器驅動電路系統結構圖；圖4是具有無損緩沖電路的移相全橋開關電源變換器系統硬件框圖；圖5是具有無損緩沖電路的移相全橋開關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電源變換器移相PWM脈沖產生的程序流程圖。
具體實施方式
如圖1所示，本實用新型提供的具有無損緩沖電路的移相全橋開關電源變換器， 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電路組成；其中，輸入整流濾波電路將交流輸入變為直流電輸入到全橋變換器主電路中，全橋變換器主電路將直流電變為脈沖狀的交流電加到輸出整流濾波電路上，經過輸出整流濾波電路中的二極管進行二次整流與電容平滑后變為直流輸出，該直流輸出的一部分經電流信號檢測電路輸入到TMS320F240，一部分通過負載經電壓信號檢測電路將檢測到的輸出電壓信號送到TMS320F240的AD轉換器進行數模轉換，與參考值進行比較，將偏差進行PI運算輸出后，與電流信號采樣的值進行比較，產生的偏差值進行PI運算后，控制移相角，使DSP的事件管理器控制產生兩對合適的互補PWM波形，并送到驅動電路，來控制全橋變換器主電路開關管的開通與關斷，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電路，保護電路作出判斷后，如果系統工作不正常，將同時封鎖DSP和驅動電路，停止脈沖信號輸出，使變換器得到保護。為了使本領域的技術人員更好的理解本實用新型方案，
以下結合附圖對本實用新型作進一步的詳細說明。本實用新型設計的裝置樣機主要參數如下輸入電壓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成。與傳統的全橋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了一個輔助網絡。這樣，當Q4關斷時，原邊電流、和輔助電感電流ia同時流入節點B ； 而當Q2關斷時，ip和ia同時流出節點B。因此在開關管Q2和Q4開關時，原邊電流和輔助電感電流同時流入或流出節點B，兩個電流是相互增強的，這就是所謂電流增強原理。這兩個電流同時給開關管的并接電容放電，使之在各種工作狀態下，在開關管開通前抽完并聯于該管的電容的電荷，可以在很寬負載和輸入電壓范圍內實現零電壓開關。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電源的核心部件，是實現能量(功率)轉換傳輸的主要器件，同時，該器件又是開關電源體積和重量的主要占有者和發熱源。本實用新型選擇軟磁鐵氧體材料設計高頻變壓器，鐵氧體是一種陶瓷性的鐵磁材料，它是由氧化鐵和其他錳、鋅氧化物混合構成的晶體，其特點是電阻率高、渦流損耗小，適合于高頻應用。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系為.N = fr ^pj = 2x(50 + 1Q) = 1 -32(2)選擇磁芯磁心選擇根據AP法進行設計，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為開關頻率；Bm為最大磁通密度，此處取0. 2T ；Kw為窗口使用系數，此處取0.5 ；Kj為變壓器繞組導體的電流密度，取4X 106A/m2 ；n為變壓器效率。
,,P01000參數帶入上式得^ 入 ^ f,Bm,K^K1,η = 20xl03x0.2x0.5x4xl06x0.8
6[0048]
權利要求1.一種具有無損緩沖電路的移相全橋開關電源變換器，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載，同時全橋變換器主電路中的輸出整流濾波電路經電流信號檢測電路連接到控制電路TMS320F240，負載經電壓信號檢測電路連接控制電路 TMS320F240，控制電路依次連接驅動電路和全橋變換器主電路中的逆變電路；同時，負載經過流信號檢測電路連接保護電路，輸入整流濾波電路經過壓信號檢測電路連接保護電路， 保護電路連接驅動電路和控制電路TMS320F240。
2.根據權利要求1所述的具有無損緩沖電路的移相全橋開關電源變換器，其特征在于所述的控制電路包括反饋信號保持采樣電路、電流調節電路、電壓調節電路和PWM發生器； 其中，反饋信號保持采樣電路同時與電流調節電路和電壓調節電路連接，電流調節電路連接PWM發生器，PWM發生器的輸出連接驅動電路；保護電路與控制電路TMS320F240中的PWM 發生器連接。
3.根據權利要求1或2所述的具有無損緩沖電路的移相全橋開關電源變換器，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電源變換器。該開關電源變換器以全橋變換器作為主電路拓撲、以數字控制器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負載范圍大，副邊整流二極管反向電壓小等優點。控制電路采用數字控制技術，主要用于給主電路四個功率開關管提供PWM信號，使其實現零電壓導通和關斷，并且實現了電壓、電流雙閉環控制，提高了變換器的動態性能和穩態性能。有利于降低生產成本，具有重大的生產實踐意義。
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 優先權日2011年8月15日
發明者何宏, 鮑帥 申請人:天津理工大學