大功率桌面式適配器移相調寬DC/DC變換器

1.大功率電源適配器移相調寬變換器的基本工作原理

      移相調寬橋式變換器的主電路如圖4-40所示?圖中S1?S2?S3?S4表示器件內部的開關管,VD?VD2?VD3?VD表示器件內部的反并聯二極管,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?與傳統的PwM橋式電路相比,除增加了L,及VD1?VD2之外,電路拓撲并無太大差別,其區別在于控制方式不同?傳統的PwM控制方式是對角線上的兩個開關管同時通/斷,其驅動及輸出波形如圖4-41(a)所示,圖中Ua?Ua2?U??U分別表示4只開關管的驅動信號?當橋路開通(S1?S4或S2?S3同時開通)時,能量由適配器傳向負載;當橋路關斷(所有器件均不開通)時,變壓器T原邊電流為零,負載電流由桌面式適配器變壓器T副邊整流二極管續流副邊兩繞組內電流大小相等而方向相反,使主變壓器保持磁平衡?一個開關周期可分為四個區間,即兩個能量傳輸期和兩個間歇期?

圖4-40移相調寬變換器主電路                圖441驅動信號

     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)所示的驅動信號?由圖4-41可知,左邊橋臂的驅動信號比右邊橋臂的驅動信號超前,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?這樣安排的驅動信號也把一個開關周期劃分為四個區間,對角線上的兩個開關管同時開通的兩個區間,即S1?S4(或S2?S3)同時開通?

     在這兩個區間內,能量由適配器傳向負載,我們稱之為有源期?在與適配器的同一條母線相聯接的兩個器件同時開通的兩個區間內,即VD4?S3(或VD2?S4)同時開通時,變壓器原邊電流經L,而形成慣性環流,無外界能量輸入,稱之為無源期?

就橋臂中點c?b之間的電壓而言,傳統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PWM方式下的間歇期則有實質性的差別?在移相PWM控制方式下,正是無源期慣性環流的存在,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S1關斷時按圖4-41,S4仍處在開通狀態?S1關斷后,電流將先使C充電,Ca放電?

     當Uc(S2)=0時VD2開通,I將由變壓器原邊→L→→S4→VD構成回路?在VD2開通期間,給出S2的驅動信號,就可使S2工作在零壓開通模式?當S4關斷時,如果L,儲能足夠,l將改經由變壓器原邊→L→VD3→Va→VD2構成的回路?在VD,開通期間,給出S3的驅動信號,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,由于待開通的器件電壓已先降到零,與之相串聯的二極管已經截止,其反向恢復過程結束,因此二極管反向恢復問題亦不復存在?

另外,由于器件兩端并有電容,器件的關斷為準零壓關斷?關斷指令發出后,電流迅速轉入電容中,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值,因此關斷損耗近似為零,并且關斷電壓尖峰亦被電容吸收,使感性關斷問題得以解決

  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?然而現有的移相調寬專用芯片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寬芯片SG3525,經變換而得到四路移相調寬信號,其框圖如圖4-42所示?圖4-42中V1為SG3525脈寬調制芯片,“11”?“14”是其輸出端,輸出寬度受調制的脈沖?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,V2B由“11”?“14”的下降沿觸發?V3是R-S觸發器,產生四個寬度為Ts/2的方波?V4是與門,用于挖死區,V4的輸出即為圖4-41(b)所示的四個驅動信號?另外,在圖4-42中H為霍爾電流傳感器,運放A用作比較器,當電流超過設定門限時,比較器輸出高電平并送至SG3525的⑩腳,實現逐脈沖關閉

圖4-42控制電路框圖

(1)變換器的主要指標

      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

      變壓器選用超微晶環形磁芯,外徑為130mm,內徑為80mm,高30mm,開關頻率為18kHz,變壓器初級為26匝,次級為2×4匝?

      功率模塊選用富士公司的產品2MBI100L-120(100A/1200V)?次級整流管選用Motorola公司的產品MUR20030CT(3只)?次級繞組分為3組,構成3個獨立的雙半波整流,然后并聯輸出,而不是3只整流管直接并聯?

      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?射之間的并聯電容為7200pF根據以上設計的參數制成的實際產品,經檢測,其整機效率(包含輸入整流濾波損耗?冷卻風機損耗?輔助電路功耗在內)高達90%移相調寬全橋變換電路實現了桌面式大功率電源適配器功率器件的零電壓開通和準零電壓關斷,克服了硬開關模式的固有缺陷,損耗降低,效率更高?實踐表明容性開通和二極管反向恢復所產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主要干擾源,使干擾電平大為降低?基于上述兩點,移相調寬全橋變換電路特別適宜于用作大功率DC/DC變換器?