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【摘要】软开关技术是电力电子装置向高频化、高功率密度化发展的关键技术，已成为现代电力电子技术研究的热点之一。本文设计了以ARM芯片LPC2210为核心的数字化反馈控制系统，通过软件设计实现了PWM移相控制信号的输出；运用Pspice9.2软件成功地对变换器进行了仿真，分析了各参数对变换器性能的影响，并得出了变换器的优化设计参数；最后研制出基于该新型拓扑和数字化控制策略的1千瓦移相控制零电压零电流软开关电源，给出了其主电路等的设计过程，并在实验样机上测量出了实际运行时的波形。
【关键词】软开关；零电压-零电流开关（ZVZCS）；移相控制；ARM；LPC2210全桥变换器
现代电源技术是应用电力电子半导体器件，综合自动控制、微处理器技术和电磁技术的多学科边缘交又技术。在各种高质量、高效、高可靠性的电源中起关键作用，是现代电力电子技术的具体应用。
功率变换器（Power Converters）是开关电源的核心部分，为了实现电源装置的高性能、高效率、高可靠性、减小体积和重量，必须实现开关管的软开关（Soft Swit-ching）。软开关变换技术是近年来电力电子学领域中的热门话题，软开关技术的深入研究及广泛应用，使电力电子变换器的设计出现了革命性的变化。随着DSP、ARM等电子芯片的小型化、高速化，开关电源的控制部分正在向着数字化方向发展。数字化使开关电源控制部分的智能化、零件的共通化、电源动作状态的远距离监测成为可能。
一、新型次级箝位ZVZCS全桥变换器的拓扑结构
本文介绍的新型次级箝位ZVZCS-PWM变换器如图1所示，其中变压器副边采用中央抽头结构，全波整流方式。变换器采用移相控制，由于输出电感参与了超前桥臂的谐振，所以在原边串联电感很小的情况下也可以给超前臂开关管、并联电容、来实现零电压开关。辅助电路是在输出滤波电感磁芯上增加一个绕组，当原边向副边传送能量时，由增加的绕组经辅助回路给箝位电容充电。其后当关断，原边电压过零期间，通过二极管放电把电压折射到原边，作为阻断源复位原边电流，为滞后桥臂开创零电流开关条件。
图1 新型次级箝位ZVZCS变换器拓扑
二、基于ARM的控制设计
首先，输出电压经过电阻分压采样，比较放大之后，在EasyARM2210上面进行AD转换，由模拟量转换成数字量，以实现软件控制。
然后是实现数字PID控制。由于本系统的最终目的是为了消除稳态误差，实现输出电压的稳定，所以在此只采用了PI控制，也就是微分系数设为0。
最后是PWM移相信号的输出。由于开关频率为25kHz，所以周期为40μs。考虑到需要死区时间，占空比略小于0.5。全桥变换器有四个开关管，所以需要输出四路PWM信号来驱动。根据LPC2210的PWM输出功能描述，在此，选择了PWM2、PWM4、PWM5为双边沿输出，PWM6为单边沿输出。这样，PWM4和PWM5就得共用一个寄存器PWMMR4，无法得到死区时间，所以还需要一个延迟电路来延迟1μs，以得到死区时间。
根据采用的移相控制方案，把超前桥臂设为定桥臂，滞后桥臂设为可变桥臂。基于以上对PWM通道选取的分析，为了方便设计，在此选PWM6和PWM2通道的输出来控制定桥臂，PWM5和PWM4通道的输出来控制可变桥臂。
根据以上所介绍的设计思想，在Code-Warrior IDE中采用C语言编写程序，图2所示为总体流程图。
图2 系统软件顺序结构流程图
三、1KW新型ZVZCS开关电源设计
1.主电路框图
本文研制了一台1kW高频软开关电源的工程样机，采用IGBT作为主开关管，实现了超前桥臂功率开关管零电压开关，滞后桥臂功率开关管零电流开关。其中控制部分采用PI调节，利用ARM开发板来产生移相PWM信号以驱动全桥变换器的四个IGBT开关管。这样不仅简化了电路，减少了元件，而且使系统反应速度更快，电源稳压性能更好。图3所示为其结构图。
图3 基于ARM控制的移相全桥软开关电源结构框图
2.主电路设计电路
本工程样机的主电路结构如图4所示，其中包括输入整流滤波电路；单相桥式逆变电路；高频变压器、谐振电感；辅助电路；输出整流滤波电路。
输入整流滤波电路是将单相交流电进行整流、滤波，为单相逆变桥提供一个平滑的直流电压，其中，EMI是输入滤波器，能减小电源内部对电网的干扰，同时又抑制电网对电源的干扰。RM是压敏电阻，防止异常情况，如雷击时电网对电源的干扰，、、是电解电容用于平波直流母线电压，、是涤纶电容，吸收直流母线上的高频电压尖峰。
单相逆变桥由四个功率开关管（IGBT）组成，为高频变压器提供脉宽可调的交流方波电压；高频变压器起到隔离和降压的作用，它有一个原边绕组，两个副边绕组；谐振电感用来帮助实现开关管的零电压、零电流开通；辅助电路为箝位电容提供充电、放电回路。输出整流滤波电路将变压器副边的高频交流电压整流和滤波，得到48V的直流电压；、分别是输出整流管的缓冲电路，吸收输出整流二极管上电压尖峰；、分别是输出滤波电感及其漏感，是输出滤波电容。
图4 电源主电路结构
为了验证主电路工作原理和参数设计的正确性，为样机研制提供参考，采用Pspice 9.2仿真软件对所提出的变换器进行了多种参数下的仿真分析。
图5 仿真电路原理图
图5所示为仿真电路原理图。
3.实验结果与仿真对照分析
为了更清晰、更直接地比较仿真与样机波形，下面各图中的图（a）为仿真波形，图（b）为实验波形。
图6 变压器原边电压、电流波形
图6所示为变压器原边电压、电流波形。可见在“0”状态时，原边电压是0V，同时变压器原边电流快速复位，“+1”状态时原边电压是直流输入电压（300V），“-1”状态时原边电压是负直流输入电压（-300V）。变压器变比是3，所以变压器原边电流是1/3的负载电流（7A左右），变换器周期是40μs。从“+1”状态变换到“0”状态时，变压器原边电压下降有一定斜率，这是超前桥臂开关管关断后谐振给其并联电容充放电，充放电有一定的时间，原边电压非突变。由于原边电流是用霍尔电流传感器测量的，对干扰非常敏感，所以有一定的毛刺。 图7 变压器副边电压、电流波形
图7所示为变压器副边上面一个分绕组的电压、电流波形。因为变比为3，所以变压器副边电压为Vin/3（100V），变压器原、副边电压波形类似。
图8 输出滤波电感的电压、电流波形
图8所示为输出滤波电感的电压、电流波形。当输出滤波电感电压为正时（值为变压器副边电压与输出电压的差），输出电感电流线性增大，并叠加了部分折算到输出电感上的电流，所以其有一定的纹波。当输出电感电压为负时，输出电感电流线性减小，直到负半工作周期，原边再次向副边传送能量时回升。上升、下降的斜率满足关系：
由以上实际波形和仿真波形的对比分析来看，实验结果和仿真基本吻合，在原边电压过零期间复位原边电流，使该电源功率变换器超前桥臂实现了零电压开关，滞后桥臂实现了零电流开关，开关损耗很小，输出电流纹波也比较小，基本达到稳定输出。实验结果表明，基于新型ARM控制的ZVZCS电路拓扑设计的1千瓦高频软开关电源的移相控制方案、数字控制方式、主电路、驱动电路、保护电路、参数等的设计是正确而且可靠的。采用ARM微控制器进行控制信号的输出，较传统的纯模拟控制的电源稳压性能更好、外围电路更简单、设计更灵活，为实现智能化全数字电源系统的创造了有利条件。
参考文献
[1]许峰，徐殿国，王健强等.软开关大功率全桥PWM变换器拓扑结构的对比分析[J].电力电子技术，2002， 36（6）.
[2]竹上荣治.全数字化控制开关电源的开发[M].电盛兰达株式会社，2006.
[3]周立功.ARM嵌入式系统实验教程（一）[M].北京航空航天大学出版社，2005.
[4]谢永刚.移相全桥ZVZCS变换器及数字化控制研究[D].华中科技大学硕士学位论文，2002.
[5]何希才.新型开关电源的设计与应用[M].科学出版社，2001.
[6]阮新波，严仰光.直流开关电源的软开关技术[M].科学出版社，2000.
[7]张松，王正勇，吴晓红等.基于DSP实现的软开关电源控制系统[J].信息与电子工程，2003，1（2）.
[8]陶永华.新型PID控制及其应用[M].机械工业出版社，2005.
作者简介：徐良芝（1973—），女，硕士研究生，副教授，现供职于江苏联合职业技术学院，研究方向：控制工程。
【关键词】软开关；零电压-零电流开关（ZVZCS）；移相控制；ARM；LPC2210全桥变换器
现代电源技术是应用电力电子半导体器件，综合自动控制、微处理器技术和电磁技术的多学科边缘交又技术。在各种高质量、高效、高可靠性的电源中起关键作用，是现代电力电子技术的具体应用。
功率变换器（Power Converters）是开关电源的核心部分，为了实现电源装置的高性能、高效率、高可靠性、减小体积和重量，必须实现开关管的软开关（Soft Swit-ching）。软开关变换技术是近年来电力电子学领域中的热门话题，软开关技术的深入研究及广泛应用，使电力电子变换器的设计出现了革命性的变化。随着DSP、ARM等电子芯片的小型化、高速化，开关电源的控制部分正在向着数字化方向发展。数字化使开关电源控制部分的智能化、零件的共通化、电源动作状态的远距离监测成为可能。
一、新型次级箝位ZVZCS全桥变换器的拓扑结构
本文介绍的新型次级箝位ZVZCS-PWM变换器如图1所示，其中变压器副边采用中央抽头结构，全波整流方式。变换器采用移相控制，由于输出电感参与了超前桥臂的谐振，所以在原边串联电感很小的情况下也可以给超前臂开关管、并联电容、来实现零电压开关。辅助电路是在输出滤波电感磁芯上增加一个绕组，当原边向副边传送能量时，由增加的绕组经辅助回路给箝位电容充电。其后当关断，原边电压过零期间，通过二极管放电把电压折射到原边，作为阻断源复位原边电流，为滞后桥臂开创零电流开关条件。
图1 新型次级箝位ZVZCS变换器拓扑
二、基于ARM的控制设计
首先，输出电压经过电阻分压采样，比较放大之后，在EasyARM2210上面进行AD转换，由模拟量转换成数字量，以实现软件控制。
然后是实现数字PID控制。由于本系统的最终目的是为了消除稳态误差，实现输出电压的稳定，所以在此只采用了PI控制，也就是微分系数设为0。
最后是PWM移相信号的输出。由于开关频率为25kHz，所以周期为40μs。考虑到需要死区时间，占空比略小于0.5。全桥变换器有四个开关管，所以需要输出四路PWM信号来驱动。根据LPC2210的PWM输出功能描述，在此，选择了PWM2、PWM4、PWM5为双边沿输出，PWM6为单边沿输出。这样，PWM4和PWM5就得共用一个寄存器PWMMR4，无法得到死区时间，所以还需要一个延迟电路来延迟1μs，以得到死区时间。
根据采用的移相控制方案，把超前桥臂设为定桥臂，滞后桥臂设为可变桥臂。基于以上对PWM通道选取的分析，为了方便设计，在此选PWM6和PWM2通道的输出来控制定桥臂，PWM5和PWM4通道的输出来控制可变桥臂。
根据以上所介绍的设计思想，在Code-Warrior IDE中采用C语言编写程序，图2所示为总体流程图。
图2 系统软件顺序结构流程图
三、1KW新型ZVZCS开关电源设计
1.主电路框图
本文研制了一台1kW高频软开关电源的工程样机，采用IGBT作为主开关管，实现了超前桥臂功率开关管零电压开关，滞后桥臂功率开关管零电流开关。其中控制部分采用PI调节，利用ARM开发板来产生移相PWM信号以驱动全桥变换器的四个IGBT开关管。这样不仅简化了电路，减少了元件，而且使系统反应速度更快，电源稳压性能更好。图3所示为其结构图。
图3 基于ARM控制的移相全桥软开关电源结构框图
2.主电路设计电路
本工程样机的主电路结构如图4所示，其中包括输入整流滤波电路；单相桥式逆变电路；高频变压器、谐振电感；辅助电路；输出整流滤波电路。
输入整流滤波电路是将单相交流电进行整流、滤波，为单相逆变桥提供一个平滑的直流电压，其中，EMI是输入滤波器，能减小电源内部对电网的干扰，同时又抑制电网对电源的干扰。RM是压敏电阻，防止异常情况，如雷击时电网对电源的干扰，、、是电解电容用于平波直流母线电压，、是涤纶电容，吸收直流母线上的高频电压尖峰。
单相逆变桥由四个功率开关管（IGBT）组成，为高频变压器提供脉宽可调的交流方波电压；高频变压器起到隔离和降压的作用，它有一个原边绕组，两个副边绕组；谐振电感用来帮助实现开关管的零电压、零电流开通；辅助电路为箝位电容提供充电、放电回路。输出整流滤波电路将变压器副边的高频交流电压整流和滤波，得到48V的直流电压；、分别是输出整流管的缓冲电路，吸收输出整流二极管上电压尖峰；、分别是输出滤波电感及其漏感，是输出滤波电容。
图4 电源主电路结构
为了验证主电路工作原理和参数设计的正确性，为样机研制提供参考，采用Pspice 9.2仿真软件对所提出的变换器进行了多种参数下的仿真分析。
图5 仿真电路原理图
图5所示为仿真电路原理图。
3.实验结果与仿真对照分析
为了更清晰、更直接地比较仿真与样机波形，下面各图中的图（a）为仿真波形，图（b）为实验波形。
图6 变压器原边电压、电流波形
图6所示为变压器原边电压、电流波形。可见在“0”状态时，原边电压是0V，同时变压器原边电流快速复位，“+1”状态时原边电压是直流输入电压（300V），“-1”状态时原边电压是负直流输入电压（-300V）。变压器变比是3，所以变压器原边电流是1/3的负载电流（7A左右），变换器周期是40μs。从“+1”状态变换到“0”状态时，变压器原边电压下降有一定斜率，这是超前桥臂开关管关断后谐振给其并联电容充放电，充放电有一定的时间，原边电压非突变。由于原边电流是用霍尔电流传感器测量的，对干扰非常敏感，所以有一定的毛刺。 图7 变压器副边电压、电流波形
图7所示为变压器副边上面一个分绕组的电压、电流波形。因为变比为3，所以变压器副边电压为Vin/3（100V），变压器原、副边电压波形类似。
图8 输出滤波电感的电压、电流波形
图8所示为输出滤波电感的电压、电流波形。当输出滤波电感电压为正时（值为变压器副边电压与输出电压的差），输出电感电流线性增大，并叠加了部分折算到输出电感上的电流，所以其有一定的纹波。当输出电感电压为负时，输出电感电流线性减小，直到负半工作周期，原边再次向副边传送能量时回升。上升、下降的斜率满足关系：
由以上实际波形和仿真波形的对比分析来看，实验结果和仿真基本吻合，在原边电压过零期间复位原边电流，使该电源功率变换器超前桥臂实现了零电压开关，滞后桥臂实现了零电流开关，开关损耗很小，输出电流纹波也比较小，基本达到稳定输出。实验结果表明，基于新型ARM控制的ZVZCS电路拓扑设计的1千瓦高频软开关电源的移相控制方案、数字控制方式、主电路、驱动电路、保护电路、参数等的设计是正确而且可靠的。采用ARM微控制器进行控制信号的输出，较传统的纯模拟控制的电源稳压性能更好、外围电路更简单、设计更灵活，为实现智能化全数字电源系统的创造了有利条件。
参考文献
[1]许峰，徐殿国，王健强等.软开关大功率全桥PWM变换器拓扑结构的对比分析[J].电力电子技术，2002， 36（6）.
[2]竹上荣治.全数字化控制开关电源的开发[M].电盛兰达株式会社，2006.
[3]周立功.ARM嵌入式系统实验教程（一）[M].北京航空航天大学出版社，2005.
[4]谢永刚.移相全桥ZVZCS变换器及数字化控制研究[D].华中科技大学硕士学位论文，2002.
[5]何希才.新型开关电源的设计与应用[M].科学出版社，2001.
[6]阮新波，严仰光.直流开关电源的软开关技术[M].科学出版社，2000.
[7]张松，王正勇，吴晓红等.基于DSP实现的软开关电源控制系统[J].信息与电子工程，2003，1（2）.
[8]陶永华.新型PID控制及其应用[M].机械工业出版社，2005.
作者简介：徐良芝（1973—），女，硕士研究生，副教授，现供职于江苏联合职业技术学院，研究方向：控制工程。