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1  概述

　　由于開關(guān)電源具有體積小、重量輕、效率高等特點(diǎn)，被世界各國越來越重視。直流電源系統(tǒng)是發(fā)電廠、水電站以及35kV～500kV變電站中不可缺少的二次設(shè)備，主要為斷路器分合閘、二次回路的儀表儀器、應(yīng)急燈光照明等設(shè)備提供直流操作電源，由充電電源、蓄電池組、降壓硅調(diào)節(jié)器等組成。充電電源給蓄電池充電，當(dāng)電網(wǎng)存在故障時(shí)則由蓄電池組供電，可以說充電電源的性能決定著直流電源系統(tǒng)的性能。傳統(tǒng)的充電電源是相控電源，PWM開關(guān)電源，存在著種種缺點(diǎn)：效率低、紋波大、體積大。隨著閥控密封鉛酸電池的廣泛應(yīng)用，對原有的充電電源系統(tǒng)提出了更高的性能要求。閥控密封鉛酸電池對溫度的反應(yīng)靈敏，不允許欠充或過充，因此傳統(tǒng)的充電裝置不能滿足其要求。

　　目前大功率的直流充電電源多采用全橋移相技術(shù)，可分為兩大類：全橋移相零電壓(ZVS PWM)變換和全橋移相零電壓零電流(ZVZSC PWM)變換。全橋移相零電壓器利用電壓器的漏感和原邊串聯(lián)的諧振電感與功率元件(MOSEET)的寄生電容產(chǎn)生諧振實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)。由于滯后臂難實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)，所以串聯(lián)的諧振電感電流通常比較大，導(dǎo)致副邊占空比的損失，全橋移相零電壓零電流變換器超前臂實(shí)現(xiàn)零電壓， 滯后臂實(shí)現(xiàn)零電流。但是原邊存在環(huán)流。而且這種控制方式多用于IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，從而使得開關(guān)頻率比較低，不利于減少變換器的體積和重量。

　　本文對電力充電電源采用全橋移相零電壓技術(shù)。通過飽和電感來減少副邊占空比的損失方法，可在較大負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)，降低開關(guān)應(yīng)力，減少開關(guān)損耗，提高系統(tǒng)可靠性和效率。

2  ZVS PWM全橋變換器工作原理

　　全橋移相式零電壓軟開關(guān)電源通過改變兩臂對角線上下管驅(qū)動電壓移相角的大小來調(diào)節(jié)輸出電壓，這種方式是讓超前臂管柵壓領(lǐng)先于滯后臂管柵壓一個相位，并在IC控制端對同一橋臂的兩個反相驅(qū)動電壓設(shè)置不同的死區(qū)時(shí)間，同時(shí)利用變壓器的漏感和功率管的寄生電容來完成諧振過程以實(shí)現(xiàn)零電壓開通，從而錯開了功率器件電流與電壓同時(shí)處于較高值的硬開關(guān)狀態(tài)，并有效克服了感性關(guān)斷電壓尖峰和容性開通時(shí)管溫過高的缺點(diǎn)，減少了開關(guān)損耗和干擾。
 
　　全橋移相零電壓變換器主電路如圖1，C5是隔直電容，保護(hù)變壓器避免飽和。Lr是飽和電感，相當(dāng)于一個開關(guān)，有電流時(shí)電感飽和，相當(dāng)于短路，沒有電流時(shí)相當(dāng)于開路。

　　在一個開關(guān)周期中，移相零電壓開關(guān)軟開關(guān)變換器有12 種開關(guān)狀態(tài)，各開關(guān)的工組描述下：

　　(1)  開關(guān)模態(tài)0

　　在t0時(shí)刻以前，QA和QD導(dǎo)通。原邊電流由電源經(jīng)過，QA諧振電感Lr變壓器原邊繞組以及QD最后回到電源負(fù)端。此時(shí)，C1和C4電壓為零，C2和C3電壓為Vin。

　　(2)  開關(guān)模態(tài)1
在t0時(shí)刻，關(guān)斷QA原邊C1和C2支路中，C1被充電；而C2，由于C1和C2，QA是零電壓關(guān)斷。直到時(shí)刻t1，C2的電壓下降到零，D2自然導(dǎo)通，開關(guān)模態(tài)1結(jié)束。

　　(3)  開關(guān)模態(tài)2

　　D2導(dǎo)通后，打開QB，原邊電流由D2中流過，QB沒有電流。由于QB是在D2導(dǎo)通時(shí)打開，所以是零電壓關(guān)斷。

　　(4)  開關(guān)模態(tài)3

　　在t2時(shí)刻，關(guān)斷QD，原邊電流由C4和C3提供，即C3放電，C4充電。由于C4和C3的存在，所以QD，是零電壓關(guān)斷，此時(shí)實(shí)際上是諧振電感和電容C4，C3在諧振工作，直到t3時(shí)刻C4的電壓上升到Vin，D3自然導(dǎo)通，結(jié)束這一開關(guān)模態(tài)。

　　(5)  開關(guān)模態(tài)4

　　在t3時(shí)刻，D3由于導(dǎo)通，QC的電壓被箝位到零，打開QC實(shí)現(xiàn)零電壓開通。到t4時(shí)刻，原邊電流下降到零，D2和D3自然關(guān)斷，QB和QC將通過電流。

　　(6)  開關(guān)模態(tài)5

　　在t4時(shí)刻，原邊電流由正值過零，逐步向負(fù)方向增大，此時(shí)QB和QC為原邊電流提供回路。在t5時(shí)刻，原邊的電流達(dá)到折算到原邊的負(fù)載電流，結(jié)束這一開關(guān)模態(tài)。

　　(7)  開關(guān)模態(tài)6

　　在這段時(shí)間里，電源通過QB和QC回路給負(fù)載供電，直到QB關(guān)斷，變換器開始下半周期的工作，其工作情況類似上述的半個周期。

3  電路設(shè)計(jì)

　　(1)  諧振電感設(shè)計(jì)

　　開關(guān)管采用富士的2SK962，兩只并聯(lián)，最小電流取Imin=5/3A，輸出采用三相橋式整流輸入電壓Vin=500V，忽略變壓器的原邊寄生電容。

　　(2)  輸出濾波電感設(shè)計(jì)

　　由于輸出電感的電流是單方向流動的，且基本是一個直流，并疊加一個的2倍于開關(guān)頻率的交流分量，所以其工作時(shí)的磁通密度可以接近飽和磁通密度。工程設(shè)計(jì)中一般的采用經(jīng)驗(yàn)算法，電感量估算公式為：

　　其中VOmin為輸出直流電壓的最小值，fg為開關(guān)頻率，IOmax為滿載輸出電流，n為變壓器變化，Vin為變壓器原邊輸出電壓，VD為整流二極管導(dǎo)通壓降。

(3)  輸出電壓和檢測

　　輸出電壓通過一個線性的光耦(HP7840)，額定電壓工作時(shí)通過一個運(yùn)算放大器后得到一個5V電壓。

圖2 輸出電流檢測電路圖