基于UCC28950的ZVS全桥移相变换器设计

王家校

（杭州士兰微电子股份有限公司，杭州 310000）

基于UCC28950的ZVS全桥移相变换器设计

王家校

（杭州士兰微电子股份有限公司，杭州 310000）

采用 UCC28950设计了全桥移相变换器变换器，实现了超前桥臂、滞后臂的零电压开关（ZVS），具有结构简单、占空比丢失较小、软开关较容易实现等特点。首先全面分析了次变换器的工作原理、讨论实现软开关的条件，设计了主要参数，然后利用 PSIM 仿真软件对电路进行仿真，最后通过实际设计的5kW大功率AC/DC开关电源变换器，验证了参数设计合理。

全桥移相；零电压开关；仿真；变换器

人们在使用大功率开关电源等AC-DC、DC-DC等变换器的同时对其性能提出了更高的要求，如效率、电磁干扰、功率密度和可靠性等，提高开关频率是改善这些性能最直接、最有效的手段，而开关频率的提高会带来功率管开关损耗大幅增加，这些将以热的形式表现出来［1］，为了寻求解决工作频率高时开关损耗大的问题，目前国内外普遍采用软开关技术，而移相全桥作为软开关技术中的一种，在众多拓扑中脱颖而出，它既适用于中大功率的场合，也避免开关损耗急剧增加［2］。因此越来越多的被国内外的专家、学者所提倡，也越来越多的被工厂、企业应用到新产品的研发和生产中，已成为一个亮点。

本文将采用TI公司生产的UCC28950作为移相全桥变换器控制器，采用其超前桥臂、滞后桥臂同时实现ZVS，其拓扑具有结构简单、占空比丢失较小、较容易实现软开关等特点［3］。重点分析了 ZVS移相全桥变换器的工作原理、详细讨论了软开关实现的条件，主要参数，并用仿真工具 PSIM对其进行了仿真，最后通过样机验证设计的合理性。

1 原理与设计

1.1 拓扑结构及主要波形［4-5］

图1 ZVS变换器拓扑图

移相全桥ZVS变换器拓扑图如图1所示，其中主回路的超前桥臂由Q1和Q3构成，滞后桥臂由Q2和 Q4构成，D1—D4分别为 Q1—Q4的续流二极管，C1—C4分别是 Q1—Q4的寄生电容或外接电容，Lr是谐振电感，包括变压器的漏感，每对桥臂的两个开关管 180°互补导通，其相应驱动信号之间相差一个相位，即移相角其中δ 越大输出电压越低，反之越小输出电压越高［6］。所以可以通过调节移相角的大小来调节输出电压。

1.2 原理分析及计算［7］

在分析之前先对全桥移相进行如下假设［8］:

1）所有的开关管及二极管均为理想器件。

2）所有电感、电容和变压器均为理想器件。

3）输出滤波电感足够大，可看作恒流源。

4）C1=C3=Clead，C2=C4=Clag。

5）Lf>>Lr/K2，K为变压器原副边匝比。

从图2主要波形图可以看出电路在一个开关周期中共有12种工作状态。分别作详细说明。

图2 主要波形

1）工作状态0，t0时刻前Q1和Q4导通，原边电流Ip经Q1，Kr，T1原边，Q4回到电源负端。

2）工作状态1［t0，t1］，t0时刻关断Q1，Ip从Q1转移到C3和C1，给C1充电，同时C3放电。因此有

3）工作状态2［t1，t2］，D3导通后，Q3开通但无电流，ip流经D3，所以Q3为零电压开通。此时Q3、 Q1的驱动信号死区td（lead）＞t01，即折算到原边电感的电流为

4）工作状态3［t2，t3］，t2时刻Q4关断，ip经C2、C4两条路径，即ip给C2放电，给C4充电，因此Q4为零电压关断。此时 Vab=-Vc4，并直接加在了谐振电感Lr上，因此Lr，C2和C4是工作在谐振下的。所以:

在工作状态3的持续时间为

5）工作状态4［t3，t4］，t3时刻，D2导通，Q2电压零电压开通，此时 Q2、Q4的驱动信号死区 td（lag）＞t23，即此时电压Vin全部落在Lr两端，ip线性下降，大小为

折算到原边电感的电流为

6）工作状态 5［t4，t5］，t4时刻 ip虽正直过零，但变压器原边绕组电压仍处于零，此时谐振电感两端电压为Vin，ip反向增加，大小

t5时，原边电流负载电流次工作状态结束，持续时间为

7）工作状态6［t5，t6］，这时间段，电压供电给负载，此时原边电流为

在t6时刻，Q3关断，变换器开始对称的另一个半周期工作，情况完全等同于上半周期［7］。

1.3 控制系统的设计

UCC28950相移控制器是 TI公司的 UCCx895系列相移控制器工业标准基础上对功能进行优化提高而推出的新产品，可以为当今高性能要求的电源系统提供最高的频率转换效率，UCC28950应用了先进的全桥控制和主动的同步整流输出控制，初级信号允许编程延迟来确保在宽负载电流和输入电压范围内ZVS（零电压切换）能正常运行，而负载电流自然地调整次级同步整流器开关延迟时间，最终实现效率达到最大［9］。

图3 UCC28950内部电路框图

本文以UCC28950作为主控器，用DSP完成输出电压调节，输出电流调节，温度保护及故障输出等功能，各参数通过数码管显示，并留有串行通信接口，方便在线调试和特殊参数设计。

UCC28950具备电压方式控制（VSM）和电流控制（CSM）两种工作模式，其中电流控制模式（CSM）具有防止变压器偏磁功能［10］，本设计中采用后者，主回路负责功率转换的IGBT模块采用国产杭州士兰微股份有限公司生产的SGM50HF12A3V2，功能上能满足要求，可靠性好，价格相对实惠。IGBT驱动卡，采用TI的高速隔离驱动芯片ISO5500，同时使用德国 VAC变压器作为隔离电源，性能可靠。

2 仿真与实验

2.1 参数仿真

主电路仿真条件:PSIM9.03，输入直流电压Vin=500V，输出直流电压 Vo=250V，变压器原副边变比K=2，计算得到:输出滤波电感Lf=140μH，输出滤波电容CL=2000μF，谐振电感Lr=5μF，开关频率f =50kHz，超前臂电容C1=C3=1800pF，滞后臂电容C2=C4=3600pF。

图4 仿真模型

图5 仿真波形

2.2 实验测试

搭建完成样机如图6所示，输入三相AC 380V，此时直流电压540V，输出直流电压 Vo=0～250V，输出电流 Io=0～20A，额定最大输出功率 Vop=VoIo= 5kW，设定整机输出效率91%，计算设定开关频率变压器原副边变比取 K=14/8；同仿真时参数选取输出滤波电感Lf=140μH，输出滤波电容CL=2000μF，谐振电感Lr=5μF，超前臂电容C1=C3=1800pF，滞后臂电容 C2=C4=3600pF。其中:ΔV输出端整流管、绕组和线路压降的总和，σm为最大占空比。

图6 样机

图7 实测波形

其中通道1为变压器原边电压Vab，通道3为变压器原边电流Ip，通道4为变换器的直流输出电压Vo。

2.3 结果与分析

通过仿真波形图5可以看出，仿真结果和理论分析的主要波形图2基本一致，此仿真模型及仿真方法是可行的，通过按照理论计算得到的数据设计的大功率DC/DC开关电源变换器实测如图7所示的波形可以看出，实际测试的波形变压器原边电压Vab，原边电流Ip和理论及仿真波形基本一致，且变换器的直流输出电压Vo波形达到理想输出，如图7所示实测波形通过图4所示。这说明了用本方法仿真设计全桥移相变换器是切实可行的，并对产品的设计具有实际的指导意义。

3 结论

本文介绍了采用UCC28950作为控制器的移相全桥ZVS变换器的工作原理、实现全桥移相软开关的条件，对ZVS变换器的主要电路参数进行了设计，并利用 PSIM软件对主回路及控制进行闭环仿真，仿真结果与理论分析基本一致，最后通过实际电路做成最大输出5kW的开关电源进行了测试，实际测试波形与理论分析及仿真波形基本一致，这证明了此方法设计参数的正确性，同时也验证了该电路的超前、滞后臂能够同时实现零电压开关，可以大大减小开关损耗，有利于充分提高开关频率，对产品的设计具有实际的指导意义。

［1］李龙文.开关电源技术的最新进展［J］.电源技术应用，2006（8）：53-57.

［2］姚建红，张艳红，王法睿，等.一种新型全桥软开关变换器的研究［J］.电力电子技术，2010（9）：86-87.

［3］李春华，胡红林，王艳超.ZVS全桥移相软开关电源［J］.黑龙江科技学院学报，2008（4）：302-305.

［4］张冬梅.ZVZCS移相全桥PWM变换器的设计与仿真［J］.电子设计工程，2012（10）：16-18.

［5］姚建红，张艳红，刘继承.一种新型全桥移相 PWM零电压零电流变换器［J］.电力自动化设备，2010（1）：66-70.

［6］吴丽君.移相全桥DC/DC变换器的设计［J］.通信电源技术，2011（3）：39-41.

［7］阮新波，严仰光.脉宽调制DC/DC全桥变换器的软开关技术［M］.北京：科学出版社，1999.

［8］李春华，李昕玉，张生.新型移相全桥 ZVS-PWM DC/DC 变换器的仿真［J］.机电一体化，2009（8）：76-78.

［9］王建辉，陈效华，朱得亚，等.基于UCC28950的车载动力锂电池充电器的 DC-DC变换器设计［Z］.电子技术与软件工程，2013：103.

［10］德州仪器推出具有同步整流器输出控制功能的全新环保型相移全桥控制器［Z］.微型机与应用，2010：38.

Design of a ZVS Phase-Shifted Full Bridge Converter based on UCC28950

Wang Jiaxiao
（Hangzhou Silan Microelectronics Co.，Ltd，Hangzhou 310000）

Used UCC28950 to designing phase-shifted full-bridge converter transformer，achieved the leading-leg and the lagging-led zero voltage switching，which the structure was simple and duty cycle loss was small and the soft switching was easy to implement and so on.First，it was analyzed its principle from all around，and discussed the condition of achieving soft switching designs the main parameters，then was simulated it by using PSIM software.The results prove that parameters are designed reasonably to actual design of 5kW high-power AC/DC switching power converter.

phase shifted full bridge；ZVS；simulation；convertor

王家校（1981-），男，浙江杭州人，研究生，工程师，研究方向为电力电子，EMC及嵌入式控制系统。