零电压开关准谐振半桥变换器的系统建模和研究

地址 北京海淀闵庄路 3 号 清华科技园 玉泉慧谷 电话 010 88856082 传真 010 88856082 8008 零电压开关准谐振半桥变换器的系统建模和研究零电压开关准谐振半桥变换器的系统建模和研究 穆新华 吴 波 摘要摘要 分析了零电压开关准谐振半桥 DC DC 变换器的工作原理和主电路谐振元件参数 的计算方法 推出了以 MC34067 芯片为控制核心的系统闭环模型 通过原理样机的实验验 证 表明计算方法和系统模型是合理正确的 为相关变换器的研究打下了良好的基础 关键词 关键词 零电压开关 谐振 变换器 模型 闭环 Research and Modeling of Zero Voltage Switching Quasi Resonant Half Bridge Converter MuMu XinhuanXinhuan WuWu BoBo Nanjing University of Aeronautics Astronautics 210016 China AbstractAbstract The operating principle of Zero Voltage Switching ZVS Quasi Resonant Half Bridge converter and calculating method of resonant element parameter are analyzed The closed loop model of converter based on control chip MC34067 is presented Furthermore the experimental results of a prototype converter are given to verify the correct of the method and model which provide good base for the research of relevant converters Keywords Keywords Zero Voltage Switching Resonant Converter Model Closed loop 1 1 引言引言 随着电力电子技术的不断发展 功率变换器的高频化是人们研究的主要课题之一 然 而 在常规的 PWM 功率变换器中 其功率器件工作在硬开关方式 在器件的开通及关断过 程中 功率器件两端的电压与通过器件的电流存在交越现象 其开关损耗随着开关频率的 升高而显著增加 同时 开关器件的输出电容和电感元件使得开关器件工作在容性开通和 感性关断状态下 其过高的和将产生强的电磁干扰 开关过程容易造成功率器件的工 作失效 因此 近年来其软开关 PWM 变换技术引起了人们的极大兴趣 这种变换技术综合 了 PWM 和谐振技术的优点 其中谐振技术用以软化开关过程 开关过程一旦完成后便回到 常规的 PWM 工作方式 本文针对半桥型 DC DC 功率变换器的拓扑结构 分析了主电路谐振 元件参数的设计过程 并推出了以 MC34067 控制芯片为控制单元的零电压开关准谐振变换 器的系统闭环模型 通过原理样机的制作和实验 验证了设计过程和系统模型的正确性 为相关变换器的研究开发打下了基础 2 2 工作原理分析工作原理分析 地址 北京海淀闵庄路 3 号 清华科技园 玉泉慧谷 电话 010 88856082 传真 010 88856082 8008 零电压开关准谐振半桥变换器的主电路拓扑结构如图 1 所示 谐振电容 C1和 C2为 MOSFET 管的输出电容 C1 C2 Coss VD1和 VD2为 MOSFET 管的体二极管 L 为总的谐振电感 它包含了高频变压器的漏感和外加电感 变压器变比用 N 表示 图 1 半桥变换器主电路拓扑 Fig 1 Main circuit topology of half bridge converter 根据零电压开关准谐振半桥变换器的工作特点 在一个变换周期里可分为四个工作阶 段 1 其相应的工作波形如图 2 所示 图 2 一个变换周期四个工作阶段的工作波形 Fig 2 Voltage waveform under the four stages of a period 2 12 1 电容充电阶段电容充电阶段 t0 t1 在 t t0时刻 VT1被关断 C1上电压线性上升 C2上电压线性下降 即有 1 地址 北京海淀闵庄路 3 号 清华科技园 玉泉慧谷 电话 010 88856082 传真 010 88856082 8008 2 当 vC1 t vC2 t Vs 2 时 此工作阶段结束 其持续时间为 3 2 22 2 谐振工作阶段谐振工作阶段 t1 t2 t1 t2时刻以后 C1上电压继续上升 C2电压继续下降 则变压器一次绕组电压极性变 负 一次电流开始下降 为维持输出电流 I0 VDr1和 VDr2同时导通 变压器二次侧呈现短 路状态 C1 C2和电感 L 一起形成串联谐振电路 即有 4 5 6 式中 当 vC2 t 0 时 此工作阶段结束 其持续时间为 7 2 32 3 电感放电阶段电感放电阶段 t2 t3 在 vC2 t 变为 0 后 VT2的反并联二极管 VD2开始导通 恒定的电压加在 L 上 变压器一次电流线性下降 即有 8 当时 此工作阶段结束 其持续时间为 9 地址 北京海淀闵庄路 3 号 清华科技园 玉泉慧谷 电话 010 88856082 传真 010 88856082 8008 2 42 4 恒流阶段恒流阶段 t3 t4 在 t t3 整流管 VDrl关断 一次电流 I0 N 流过 VT2 C2上电压为 0 C1上电压为 Vs 当 VT2关断时此过程结束 若将这四阶段视为一个变换周期用 Tcon表示 那么半桥变换器 的一个开关周期 Ts中将包含两个这样的变换周期 恒流阶段的持续时间为 10 3 3 主电路谐振元件参数设计主电路谐振元件参数设计 分别定义变换器的直流电压变换比与归一化负载电阻 则通过一 个换周期中输入能量和输出能量相等可获得 11 式中 fcon 变换频率 f0 谐振频率 由公式 4 5 可知 获得 ZVS 的条件是 12 即 考虑到输入电压和输出负载电流的变化 一般取 13 式中 即有 地址 北京海淀闵庄路 3 号 清华科技园 玉泉慧谷 电话 010 88856082 传真 010 88856082 8008 14 15 将式 13 代入方程 11 得 16 另一方面 最小变换频率发生在最低输入电压 最大输出电流下 即 将其代入式 11 得 17 4 4 系统建模及闭环设计系统建模及闭环设计 零电压开关准谐振半桥变换器闭环控制原理如图 3 所示 输出电压通过采样环节 分 压器 被反馈到误差放大器输入端 用误差放大器输出电压来控制开关频率以维持输出电 压恒定 其中 GD s 为驱动级传递函数 GP s 为功率级传递函数 GEA s 为误差放大器传 递函数 H s 采样传递函数 图 3 零电压开关准谐振半桥变换器闭环控制方框图 Fig 3 Closed loop system block diagram of the ZVS half bridge converter 4 14 1 驱动级传递函数驱动级传递函数 G GD D s s 驱动级包括一个电压控制振荡器 一个设置恒定关断时间的电路和输出级 其中电压 地址 北京海淀闵庄路 3 号 清华科技园 玉泉慧谷 电话 010 88856082 传真 010 88856082 8008 与振荡频率的关系要通过对控制芯片建模获得 本变换器采用 MC34067 控制芯片 MC34067 是高性能零电压开关谐振型变换器控制芯片 它采用恒定关断时间而改变频率来 进行控制 通过对 MC34067 的内部电路分析 可得到电压控制振荡器的等效电路如图 4 所 示 其中 Vc为误差放大器输出电压 振荡周期如图 5 所示 图 4 电压控制振荡器等效电路 Fig 4 Equivalent circuit of the voltage controlled oscillator 图 5 振荡周期示意图 Fig 5 Sketch map of the oscillating period 对图 4 所示的网络列出节点方程 18 UC 0 5 1V UC T 3 6V 将实际电路中采用的参数 ROSC 12 7k COSC 470pF RVFO 1 79k 代入方程 18 求 解得控制电压 振荡频率曲线如图 6 所示 基本上为一直线 其斜率约为 783kHz V MC34067 的驱动输出级有 20ns 的延迟 在控制的频率范围内 此延迟可以忽略 因而驱动级的传递函数可用一恒定增益来近似 即有 GD s 783kHz V 19 地址 北京海淀闵庄路 3 号 清华科技园 玉泉慧谷 电话 010 88856082 传真 010 88856082 8008 图 6 控制电压 振荡频率曲线 Fig 6 Oscillating frequency versus control voltage 4 24 2 功率级传递函数功率级传递函数 GP s 由于半桥变换器拓扑是从 BUCK 变换器中派生出来的 因此 半桥电路最终可以用一 等效的 BUCK 电路来代替 其等效 BUCK 电路的开关频率为半桥变换器开关频率的两倍 其 输入电压相当于加在半桥变换器变压器一次绕组上的电压 根据 BUCK 小信号模型 2 3 可推得零电压准谐振半桥变换器的小信号下输出电压 频率传递函数为 20 式中 fs fcon 2 4 34 3 采样环节传递函数采样环节传递函数 H s H s 采样环节一般应用分压器 如果分压比为 h 则传递函数可表示成 H s h 21 4 44 4 误差放大器传递函数误差放大器传递函数 GEA s 变换器闭环设计的主要目标是使系统在元件参数宽范围变动情况下能稳定工作并具有 优良的动态性能 误差放大器的功能是为稳定的闭环工作提供环路增益和频率响应 本变 换器采用图 7 所示的补偿电路 其传递函数为 地址 北京海淀闵庄路 3 号 清华科技园 玉泉慧谷 电话 010 88856082 传真 010 88856082 8008 22 系统的开环传递函数为 Go s GD s GP s 23 环路增益为 T s GD s GP s H s GEA s 24 图 7 误差放大器补偿电路 Fig 7 Compensation circuit of error amplifier 通过作开环传递函数的 Bode 图 并根据幅频和相频特性及其稳定性要求 可对其参数进 行设计 5 5 原理样机及实验波形原理样机及实验波形 根据前面所述的电路参数设计及系统建模方法 设计并制做了一台原理样机 技术指 标为 输入电压 DC240 300V 输出电压 DC15V 输出功率 75W I0 5A 维持零电压开关 的最小和最大开关频率 fsmin 400kHz fsmax 727kHz 图 8 所示为 I0 5A 的 MOSFET 管电压 VDS和栅极驱动电压 VGS波形 从实验波形中看出 完全实现了零电压开关 图 9 为变压器一次绕组电流波形 地址 北京海淀闵庄路 3 号 清华科技园 玉泉慧谷 电话 010 88856082 传真 010 88856082 8008 图 8 Vs 300V I0 5A 时 MOSFET 管 VDS和 VGS波形 Fig 8 The VDS and VGS waveforms of MOSFET when Vs 300V I0 5A 图 9 I0 5A 时变压器一次绕组电流波形 Fig 9 The primary side current waveform of transformer when Vs 300V I0 5A 6 6 结束语结束语 通过实验验证了本文给出的零电压开关准谐振半桥变换器参数设计方法和系统闭环模 型是正确的 另一方面 由于谐振型零电压开关变换器具有开关频率高 体积小 效率高 等特点 因此 非常适用于 270V 飞机高压直流电源系统中的二次变换器 注释注释 国家自然科学基金 航空基础科学基金资助项目 作者简介作者简介 穆新华 1961 年生 硕士研究生毕业 副教授 目前 主要从事电力电子变换 及电机控制方面的教学和研究工作 发表论文 30 余篇 吴 波 1972 年生 硕士研究生 MuMu XinhuaXinhua was born in 1961 received the M S from the Nanjing University of Aeronautics Astronautics Now he is an associate professor His main research fields are the power electronic converting and control technology of electrical machine 作者单位作者单位 南京航空航天大学 210016 参考文献参考文献 1 Liu K H Lee F C Zero voltage switching technique in DC DC