【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。WWW.11665.cOm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

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。
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　　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。