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摘要：本文介绍了一种应用于备用电源系统中，采用移相PWM控制双变压器结构的升压DC/DC变换器设计过程，制作了一台采用UCC2895芯片控制的DC48V输入，DC650V输出，总功率2kW的升压DC/DC变换器样机，给出了电路参数设计及实验波形。
关键词：UCC2895；移相控制；软开关变换器；双变压器；升压变换器
1． 引言
6kV高压输出海底电缆通信电源要求交流输入断电后短时间仍能继续稳定工作，需要外接备用电池做不间断供电。为确保海底电缆电源在交流断电下仍能继续工作，将蓄电池48V直流电直接升压到DC650V，接入到海底电缆电源装置变换模块DC/DC前端，代替三相功率因数校正部分输出，保证电源继续工作。升压DC/DC变换器应用系统框图如图一。
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图1 升压DC/DC变换器应用系统框图
升压DC/DC变换器升压比高，变压器原边电压低、电流大，副边电压高，设计难度大，选择一个适用于高升压比大电流的拓扑方案比较重要。在1kW以上功率电源设计中，普遍采用移相全桥软开关PWM变换技术，可以实现大电流，大功率输出。软开关技术，可以降低开关管损耗，提高工作频率，增加功率密度。变换器输出电压达650V，输出端采用全桥整流方式，相比于全波整流，二极管电压应力可以降低一半。变压器采用单个磁心设计，体积偏大，改用双变压器设计方式，能有效降低变压器高度，减小电源体积。所以升压DC/DC变换器选择移相全桥拓扑加全桥整流及双变压器方式设计为比较合理方案。
2． 主电路、控制电路设计
2.1 主要技术要求
1）输入电压：DC48V±20%
2）输出电压：DC650V
3）输出功率：2kW
2.2主电路工作原理
采用移相全桥软开关拓扑，双变压器，以及副边全桥整流滤波方式，主电路图如图一所示。
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图2 主电路图
主电路工作过程：直流输入电压经4个开关管构成的原边斩波电路，将直流输入电压逆变成高频方波脉冲，经两个升压变压器升压后由副边全桥整流LC滤波器，变成高压直流电，给负载供电。
软开关实现：零电压软开关以开关管寄生电容和谐振电感组成谐振回路产生谐振来实现。S1关断S3打开时进入死区时间且电容C1、C3与原边等效电感L发生谐振，C1充电，C3放电，C3电压在谐振电流作用下很快放电到零，在S3开通的时候已经实现零电压开通。零电压开通需满足谐振电感储存能量大于电容储存能量，即满足下式：
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为等效电感包含变压器原边漏感，谐振电感，输出滤波电感折射到原边电感量。I为原边电流。.png)
为MOS寄生电容。.png)
为母线电压。因升压DC/DC变换器升压高，比变压器原边漏感大，且低压输入情况下，电流大，原边不需要谐振电感即可以实现软开关。
双变压器工作过程：变压器原边绕组并联，副边绕组经全桥整流后串联，原边方波经变压器升压后变为.png)
（n为匝比），实现了隔离升压变换过程。两个变压器设计过程中需确保变比一致，保证了两个变压器的副边整流后的电压相同。同时变压器绕制过程中尽量保证原边励磁电感一致，确保变压器原边电流一样，由于电感主要影响励磁电流，所以微小电感量偏差并不会影响原边电流均匀分配。
2.3主电路参数设计
2.3.1变压器设计
2.3.1.1确定变压器变比
变压器的设计是开关电压设计过程中的重点，选择合适大小的磁心既能保证功率输出，又能有效控制体积，同时导线、匝数需设计合理，尽量降低导线损耗，避免集肤效应，临近效应，以及防止变压器饱和等。变压器原边电压由备用电池输出，最低电压 .png)
，设计时需确保最低输入电压时能够输出所要求的电压。设变压器导通最大占空比Dmax=0.4，副边二极管导通压降 .png)
，串联后每组输出电压Vos=325V；采用双变压器设计后，单个变压器功率输出1kW。
则.png)
=407V
则变压器变比n=.png)
=10.7 取n=11
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为变压器副边最低电压。
2.3.1.2高频变压器磁芯选择
采用面积乘积法（AP）选择磁芯，AP法计算公式为：
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式中：.png)
为变压器视在功率，是原边功率和副边功率之和；.png)
为波形系数，方波为4；fs为开关工作频率，取值75kHz；Bw为工作磁通密度；Kj为电流密度系数；X为磁芯结构系数。
根据计算AP值选取EE55铁氧体磁芯。磁芯有效截面积Ae=7.04cm2；窗口面积Aw=2.80cm2；面积积AP=19.71 cm4；饱和磁通密度0.5T。
2.3.1.3原边、副边匝数计算
变压器原边匝数由下式计算：
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Vin为电池输出电压，最低输入电压38V。
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2.4控制电路外围参数设定
控制部分采用UCC2895芯片控制，实现恒定频率、高效率、零电压转换脉冲宽度控制。电路如图2所示。
1）死区设定
同一桥臂死区延迟时间由DELAB，DELCD设定。分别在同一桥臂互补的输出信号OUTA和OUTB、OUTC和OUTD之间设置死区时间以防止直通。与信号地之间接一个电阻RDEL，可以设置不同的死区时间。死区设置太小容易直通炸机，设置太大，难于实现软开关，造成开关损耗增加。死区时间由下式计算：
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前臂因为容易实现软开关，死区时间设置在1us，后臂软开关由漏感参与谐振，能量比较小，死区设置在600ns比较合适。
2）频率设定
震荡频率由定时电阻RT和定时电容CT共同确定：
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图3 UCC2895外围电路
3、实验结果
依据设计参数制作了一台输出电压650V，额定功率为2kW电源样机，经过测试，样机满足设计要求，满载下实测波形如下：
1）图4为1/8载时后臂下管驱动及MOS管Vds电压波形。可以看出MOS管在开通过程中，Vds已经降低到零，电压实现了零电压开通。MOS在关断过程中，可以看出有个谐振尖峰，由于此时电流小，谐振能量小，谐振提前结束，滞后臂上管还没有实现软开关，经试验只需要将输出提高到1/6负载，即可以达到软开通。
2）图5为逆变桥对管驱动波形。可以看出，对管驱动存在一个移相角度，通过控制这个移相角度大小控制输出脉宽，从而调整输出电压。
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图4 滞后臂下管驱动及Vds电压波形 图5 逆变桥对管驱动波形
6. 结束语
采用UCC2895芯片设计的移相PWM控制双变压器结构的升压DC/DC变换器，工作于零电压开关条件下，大大减小了开关损耗。在低压输入，原边电流大的情况下，采用这种软开关技术，可以极大降低MOS管损耗，从而减小散热器，达到低温升的要求，控制了温升电源才能长期可靠运行。对双变压器测试结果显示，原边电流均匀一致，副边电压相等，不存在电流电压不均衡问题。经过试验验证，该电源设计可靠，能用于备用电源设备中，具有实际应用前景。
参考文献：
[1]沙占友等著 开关电压优化设计。中国电力出版社 2009
[2]刘胜利编著 现代高频开关电源实用技术。电子工业出版社 2001
[3]张哲 沈 虹 基于UCC3895的移相全桥变换器的设计
论文作者:李刚
论文发表刊物:《电力设备》2018年第23期
论文发表时间:2018/12/17
标签：电压论文; 变换器论文; 变压器论文; 谐振论文; 死区论文; 电流论文; 电感论文; 《电力设备》2018年第23期论文;