基于軟開關(guān)的24 V開關(guān)電源的設(shè)計與仿真

劉光亞，方治昊

（湖北工業(yè)大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，湖北 武漢430068）

近年來，軟開關(guān)技術(shù)在開關(guān)電源中得到發(fā)展，軟開關(guān)不對稱半橋是其中應(yīng)用較為廣泛的一種電路拓?fù)?在橋式電路中，與全橋電路相比，半橋電路拓?fù)漭^為簡單，可以省去一組開關(guān)管以及相應(yīng)的驅(qū)動電路，因此在成本方面的優(yōu)勢較為明顯，實際應(yīng)用較為廣泛［1］.對稱半橋在高頻應(yīng)用場合開關(guān)損耗較大，嚴(yán)重降低了效率.而采用軟開關(guān)不對稱半橋可以降低開關(guān)損耗，通過提高開關(guān)頻率來減小變壓器的體積.此外，軟開關(guān)不對稱半橋還能減小線路的電磁干擾.軟開關(guān)不對稱半橋利用寄生電容和變壓器漏感諧振實現(xiàn)ZVS（零電壓開關(guān)），極大地降低了開關(guān)損耗.與對稱半橋相比，不對稱半橋軟開關(guān)的電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和成本并沒有增加，因此是一種性價比較高的軟開關(guān)電路拓?fù)洌?］.

1 24 V／12 A開關(guān)電源總體結(jié)構(gòu)

24 V／12 A開關(guān)電源包括主電路、驅(qū)動電路、控制電路、保護(hù)電路、輔助電路等部分［3］.輸入220 V交流電壓經(jīng)過EMI濾波和整流濾波之后，得到約300 V的直流電壓加在半橋變換器上，用脈寬調(diào)制電路產(chǎn)生的PWM波去驅(qū)動功率MOSFET開關(guān)管，在功率變壓器的次級得到準(zhǔn)方波電壓，再經(jīng)過整流濾波及反饋控制后可在輸出端得到穩(wěn)定的直流24 V電壓（圖1）.

1.1 整流濾波電路

50 Hz、220 V的交流電先經(jīng)過EMI濾波器，再經(jīng)單相全橋整流電路整流后得到帶有脈動的直流電壓，然后經(jīng)過電感濾波得到較為平直的直流電壓［4］.全橋整流電路原理見圖2.

當(dāng)S1與S4導(dǎo)通時，W2電壓為正半周，對VD1、VD4加正向電壓，VD1、VD4導(dǎo)通，電路中構(gòu)成W2、VD1、U0、VD4回路，在U0上形成上正下負(fù)的半波整流電壓；當(dāng)S3與S2導(dǎo)通時，W2電壓為負(fù)半周，對VD3、VD2加正向電壓，VD3、VD2導(dǎo)通，電路中構(gòu)成W2、VD3、U0、VD2回路，在U0上形成上正下負(fù)的另外半波整流電壓.輸出電壓U0由原邊上正下負(fù)的正弦電壓變?yōu)槊}動的直流電壓，再經(jīng)電感L濾波，變?yōu)檩^為平直的直流電壓.

1.2 不對稱半橋式變換器

設(shè)計開關(guān)電源功率約為300 W，由于半橋式變換器主要適用于中低頻率，故選用半橋式變換器［5］.不對稱半橋電路與傳統(tǒng)半橋電路相比，主電路拓?fù)浠鞠嗤?，幾乎不需要添加輔助器件.不對稱半橋充分利用電路自身的特性，通過開關(guān)管MOSFET的寄生電容及變壓器的漏感在兩個開關(guān)管的死區(qū)時間里發(fā)生諧振，實現(xiàn)零電壓開通［6］.

圖3 不對稱半橋變換器原理圖

不對稱半橋主電路見圖3，一次側(cè)由兩個開關(guān)S1與S2、變壓器的漏感Lr和隔直電容Cc構(gòu)成，二次側(cè)包括中心抽頭的變壓器、整流二極管NS1與NS2以及輸出電感L0和電容C0所組成的濾波電路，其中開關(guān)管S1與S2的控制信號互補，主電路通過開關(guān)管MOSFET的寄生電容及變壓器的漏感在開關(guān)轉(zhuǎn)換過程中發(fā)生諧振實現(xiàn)ZVS［7］.

不對稱半橋電路的開關(guān)狀態(tài)分為以下階段：

1）線性充放電階段；

2）諧振暫態(tài)階段；

3）電感放電階段；

4）能量傳送階段；

5）線性充放電階段；

6）諧振暫態(tài)階段；

7）電感放電階段；

8）能量傳送階段.不對稱半橋的ZVS波形見圖4.

不對稱半橋電路部分器件選型如下：

24 V／12 A開關(guān)電源的功率約300 W，工作頻率為50 k Hz，功率變壓器選用鐵氧體EC＿40型鐵芯，其部分參數(shù)為：磁導(dǎo)率2000，飽和磁感強度3 000 Gs，居里溫度200℃，窗口面積6.82 c m2，鐵心的截面積2.5 c m2；導(dǎo)線選用25 mm×0.15 mm的多股線2股并繞；開關(guān)管MOSFET選擇FQP9 N50；整流二極管選擇FCH20 A20；輸出濾波電容選擇470 u F／35 V的電解電容；隔直電容選擇1 uf／400 V的CBB電容.

圖4 不對稱半橋ZVS波形

1.3 控制與驅(qū)動部分

控制電路首先將輸出端檢測的電壓信號放大、比較，然后送入PWM控制器中，PWM控制器通過調(diào)節(jié)脈沖信號的寬度或者頻率，將脈沖信號送入MOSFET開關(guān)管，最后得到穩(wěn)定的輸出.控制電路主要由采樣、比較、PWM控制器等部分組成.

圖5 控制與驅(qū)動部分框圖

不對稱半橋通過兩組互補的驅(qū)動脈沖信號控制，并且要保證適當(dāng)?shù)乃绤^(qū)時間來實現(xiàn)電路的ZVS，ST公司的半橋驅(qū)動芯片L6384是專門針對不對稱半橋的驅(qū)動芯片，外圍電路簡單，占用空間小.

2 主電路的仿真與設(shè)計

通過上述分析，利用MATLAB7.0對主電路進(jìn)行建模仿真，以驗證不對稱半橋軟開關(guān)的實現(xiàn)，主電路Si mulink仿真模型見圖6.

圖6 主電路Si mulink仿真模型

圖7為輸出電壓24 V波形，圖8和圖9分別為開關(guān)管S1與S2的電壓與驅(qū)動脈沖波形，由波形可以看出在開關(guān)脈沖發(fā)出時，開關(guān)管電壓已經(jīng)提前降低到零電位，說明開關(guān)管S1與S2實現(xiàn)了零電壓開通，降低了電路損耗.

3 結(jié)論

仿真結(jié)果表明：本開關(guān)電源利用不對稱半橋電路開關(guān)管的寄生電容和變壓器的漏感諧振，實現(xiàn)了零電壓開通，降低了電路損耗，并得到24 V直流電壓輸出，結(jié)構(gòu)合理，符合設(shè)計要求.

［1］阮新波，嚴(yán)仰光.直流開關(guān)電源的軟開關(guān)技術(shù)［M］.北京：科學(xué)出版社，2000.

［2］陳 堅.電力電子技術(shù)［M］.北京：高等教育出版社，2002.

［3］Marty Brown.開關(guān)電源設(shè)計指南［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2004.

［4］李愛文，張承慧，現(xiàn)代逆變技術(shù)及其應(yīng)用［M］.北京：科學(xué)出版社，2000.

［5］劉勝利.現(xiàn)代高頻開關(guān)電源實用技術(shù)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2001.

［6］張占松，蔡宣三.開關(guān)電源的原理與設(shè)計［M］.北京：科學(xué)技術(shù)出版社，2000.

［7］蘇 斌，呂征宇.軟開關(guān)型不對稱半橋研究［J］.電力電子技術(shù).2006，40（1）：65－67.