控制网

1  概述

　　由于开关电源具有体积小、重量轻、效率高等特点，被世界各国越来越重视。直流电源系统是发电厂、水电站以及35kV～500kV变电站中不可缺少的二次设备，主要为断路器分合闸、二次回路的仪表仪器、应急灯光照明等设备提供直流操作电源，由充电电源、蓄电池组、降压硅调节器等组成。充电电源给蓄电池充电，当电网存在故障时则由蓄电池组供电，可以说充电电源的性能决定着直流电源系统的性能。传统的充电电源是相控电源，PWM开关电源，存在着种种缺点：效率低、纹波大、体积大。随着阀控密封铅酸电池的广泛应用，对原有的充电电源系统提出了更高的性能要求。阀控密封铅酸电池对温度的反应灵敏，不允许欠充或过充，因此传统的充电装置不能满足其要求。

　　目前大功率的直流充电电源多采用全桥移相技术，可分为两大类：全桥移相零电压(ZVS PWM)变换和全桥移相零电压零电流(ZVZSC PWM)变换。全桥移相零电压器利用电压器的漏感和原边串联的谐振电感与功率元件(MOSEET)的寄生电容产生谐振实现软开关。由于滞后臂难实现零电压开关，所以串联的谐振电感电流通常比较大，导致副边占空比的损失，全桥移相零电压零电流变换器超前臂实现零电压， 滞后臂实现零电流。但是原边存在环流。而且这种控制方式多用于IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，从而使得开关频率比较低，不利于减少变换器的体积和重量。

　　本文对电力充电电源采用全桥移相零电压技术。通过饱和电感来减少副边占空比的损失方法，可在较大负载范围内实现零电压开关，降低开关应力，减少开关损耗，提高系统可靠性和效率。

2  ZVS PWM全桥变换器工作原理

　　全桥移相式零电压软开关电源通过改变两臂对角线上下管驱动电压移相角的大小来调节输出电压，这种方式是让超前臂管栅压领先于滞后臂管栅压一个相位，并在IC控制端对同一桥臂的两个反相驱动电压设置不同的死区时间，同时利用变压器的漏感和功率管的寄生电容来完成谐振过程以实现零电压开通，从而错开了功率器件电流与电压同时处于较高值的硬开关状态，并有效克服了感性关断电压尖峰和容性开通时管温过高的缺点，减少了开关损耗和干扰。
 
　　全桥移相零电压变换器主电路如图1，C5是隔直电容，保护变压器避免饱和。Lr是饱和电感，相当于一个开关，有电流时电感饱和，相当于短路，没有电流时相当于开路。

　　在一个开关周期中，移相零电压开关软开关变换器有12 种开关状态，各开关的工组描述下：

　　(1)  开关模态0

　　在t0时刻以前，QA和QD导通。原边电流由电源经过，QA谐振电感Lr变压器原边绕组以及QD最后回到电源负端。此时，C1和C4电压为零，C2和C3电压为Vin。

　　(2)  开关模态1
在t0时刻，关断QA原边C1和C2支路中，C1被充电；而C2，由于C1和C2，QA是零电压关断。直到时刻t1，C2的电压下降到零，D2自然导通，开关模态1结束。

　　(3)  开关模态2

　　D2导通后，打开QB，原边电流由D2中流过，QB没有电流。由于QB是在D2导通时打开，所以是零电压关断。

　　(4)  开关模态3

　　在t2时刻，关断QD，原边电流由C4和C3提供，即C3放电，C4充电。由于C4和C3的存在，所以QD，是零电压关断，此时实际上是谐振电感和电容C4，C3在谐振工作，直到t3时刻C4的电压上升到Vin，D3自然导通，结束这一开关模态。

　　(5)  开关模态4

　　在t3时刻，D3由于导通，QC的电压被箝位到零，打开QC实现零电压开通。到t4时刻，原边电流下降到零，D2和D3自然关断，QB和QC将通过电流。

　　(6)  开关模态5

　　在t4时刻，原边电流由正值过零，逐步向负方向增大，此时QB和QC为原边电流提供回路。在t5时刻，原边的电流达到折算到原边的负载电流，结束这一开关模态。

　　(7)  开关模态6

　　在这段时间里，电源通过QB和QC回路给负载供电，直到QB关断，变换器开始下半周期的工作，其工作情况类似上述的半个周期。

3  电路设计

　　(1)  谐振电感设计

　　开关管采用富士的2SK962，两只并联，最小电流取Imin=5/3A，输出采用三相桥式整流输入电压Vin=500V，忽略变压器的原边寄生电容。

　　(2)  输出滤波电感设计

　　由于输出电感的电流是单方向流动的，且基本是一个直流，并叠加一个的2倍于开关频率的交流分量，所以其工作时的磁通密度可以接近饱和磁通密度。工程设计中一般的采用经验算法，电感量估算公式为：

　　其中VOmin为输出直流电压的最小值，fg为开关频率，IOmax为满载输出电流，n为变压器变化，Vin为变压器原边输出电压，VD为整流二极管导通压降。

(3)  输出电压和检测

　　输出电压通过一个线性的光耦(HP7840)，额定电压工作时通过一个运算放大器后得到一个5V电压。

图2 输出电流检测电路图