用于EPS的12 V/48 V软开关电源变换器研究

2015-07-19张文鼎肖强晖廖无限

湖南工业大学学报 2015年1期

关键词：样机二极管主管

张文鼎，肖强晖，廖无限

（湖南工业大学电气与信息工程学院，湖南株洲412007）

用于EPS的12 V/48 V软开关电源变换器研究

张文鼎，肖强晖，廖无限

（湖南工业大学电气与信息工程学院，湖南株洲412007）

分析了ZVT-BOOST电路的工作原理，设计BOOST电路的主要参数及控制回路，设计了一个基于TL494的用于EPS的软开关电源变换器样机，其输出电压为48 V，输出功率为100 W。对样机的测试结果表明：本样机能稳定输出电压，整机效率大于90%，性能满足设计要求。

TL494；EPS；软开关；稳压

0 引言

转向系统是汽车的主要子系统之一，其性能直接关系到汽车的操纵稳定性和舒适性，且对于确保行车安全、减少交通事故以及保护驾驶员的人身安全、改善驾驶员的工作条件起重要作用。电动助力转向系统（electric power steering，EPS）是近些年出现的一种先进的汽车转向系统。其利用电动机产生动力，帮助驾驶员进行转向操作。该系统主要由3部分构成：信号传感装置、转向助力机构、电子控制装置。相比较于传统的液压式转向系统和机械式转向系统，EPS在环保、节能、结构简单、布置灵活、产品减重等诸多方面拥有较大优势，因此，被广泛应用于汽车领域[1]。而电源对于各种电气设备就像心脏对于人体一样重要，如果没有了电源则各种用电设备将无法运行。随着电源技术的发展，各种新型器件、新电路拓扑及先进的控制策略应用到电源装置中，特别是DC/DC高频开关电源在各个领域中得到越来越广泛的应用[2]。

为了使开关电源达到高功率密度和易于便携的要求，通常采用高频PWM软开关控制方式，这样不仅有利于减小开关电源的体积，而且还能有效降低开关器件的损耗和噪音[3]。

综上所述，本文分析了ZVT-BOOST电路的工作原理，并对BOOST电路的主要参数及控制回路进行设计，然后采用Saber仿真软件进行建模，并对升压电路进行仿真分析。仿真结果表明：ZVS PWM软开关变换技术具有开关损耗小、恒频控制和变换效率高等优点[4]。最后，研制了一款48 V/100 W的实验样机，并给出了相关的实验波形,实验结果表明：电源的输入为12 V，输出为48 V/100 W，整机效率大于90%，基本达到设计指标，适用于EPS电动转向系统。

1 ZVT零转换电路原理

ZVS PWM BOOST电路如图1所示。直流电源Uin、输入滤波电感Lf、主开关管Q1、二极管D、输出滤波电容C和负载R构成基本的BOOST电路拓扑。辅助开关管Q2、二极管D1、谐振电感Lr和谐振电容Cr构成有源软开关环节。开通时，Cr和Lr构成的谐振电路可以减小并延缓主开关管Q1的开通电流上升率，使Q1和D2具有零电压开通环境，可有效减少开关损耗。关断时，Q1与并联的电容Cr可以有效抑制主开关管关断时的电压上升率，为Q1和D2营造零电压开通环境，可有效减少关断损耗。二极管D1和D3起到续流和换流的作用[5-7]。

图1 ZVS PWM BOOST电路Fig.1 ZVS PWM BOOST circuit

2 电路工作过程分析

2.1 软开关工作条件

所谓软开关，就是利用电感电流不能突变这个特性，用电感来限制开关管开通过程的电流上升速率，实现零电流开通；利用电容电压不能突变的特性，用电容来限制开关管关断过程的电压上升速率，实现零电压关断；利用LC谐振回路的电流与电压存在相位差的特性，用电感电流给MOS结电容放电，从而实现零电压开通；或是在管子关断之前，电流就已经过零，从而实现零电流关断[5]。

2.2 主电路工作过程

主电路软开关BOOST拓扑结构稳态时原理波形图如图2所示。图中，g是主管驱动电压波形，vds是主管VDS电压波形，id是主管漏极电流，ga是辅管驱动电压，ia是辅管集电极电流，vdsa是辅管VDS电压波形，iL1是谐振电感电流，ip是主二极管电流。

图2 主电路软开关BOOST拓扑结构稳态时原理波形图Fig.2 The principle waveform of BOOST topology of main circuit switching at steady-state

主电路工作原理如下：

T0时刻之前，主二极管导通，向负载供电。

T0时刻，辅管开通。由于电感L1的存在，辅管电流线性上升，主二极管电流线性下降。因此，辅管是零电流开通，此时，辅管驱动波形的开通过程存在Miller效应。而主二极管的关断过程是相当的“软”，反向恢复电流较小。在主二极管电流完全转移到电感L1中以后，主管的VDS电压开始谐振下降。

T1时刻，主管VDS电压降到零，主管旁边的二极管D3导通，将VDS箝位在零。此时开通主管就属于零电压开通。

T2时刻，主管开通。从主管Q2波形可以看出，主管是在零电压零电流的状态下开通的。从栅极信号可以看出，主管Q2没有开通过程的Miller效应。主管开通后，辅管可以关断。

T3时刻，辅管关断。从辅管Q1波形可以看出，其关断过程中，辅管的VDS电压在C2的缓冲下缓慢上升，电压和电流重叠部分较小。本文选择高速的IGBT（insulated gate bipolar transistor）型号为MGW12N120，以实现辅管的零电压关断。谐振电感L1中的能量向C2中转移。当C2电压达到输出电压时，箝位二极管导通，保证了辅管的VDS电压不会超过输出电压[8]。

T4时刻，当谐振电感L1的能量完全转移到C2中以后，箝位二极管MUR460_2关断反偏。

T5时刻，主管关断。输入电流通过C2,MUR460_2,MUR460_1向负载R输出。在C2的缓冲下，主管的VDS电压线性上升，呈现良好的零电压关断状态。

T6时刻，C2的能量完全释放完毕，C2两端电压差为零。主二极管MUR1560导通，输入电流通过主二极管向负载输送能量。

3 驱动电路

3.1 控制芯片TL494的简介

TL494是一种固定频率脉宽调制电路，其主要为开关电源电路而设计[6]。主要特征有：集成了全部的脉宽调制电路；内置主从振荡器和误差放大器；内置5.0 V参考基准电压源；可调整死区时间；内置功率晶体管可提供最大500 mA的驱动能力；输出可控制推拉电路或单端电路；自带欠压保护。

TL494的内部框图如图3所示。

图3 TL494结构原理图Fig.3 The structure diagram of TL494

图3中，引脚功能如下：

引脚1 为第一组误差放大器的同相输入端；

引脚2 为第一组误差放大器的反相输入端；

引脚3 为相位校正和增益控制；

引脚4 为死区控制端，改变此脚电压，可改变死区时间；

引脚5 为内部振荡电路，外接振荡电容C；

引脚6 为外接振荡电阻R，和引脚5一起产生锯齿波电压送比较器和死区时间比较器，振荡频率为OSC=1/(RC)；

引脚7 为共地端，也是供电的负极端；

引脚8和11 为两路输出放大管的集电极；

引脚9和10 为内部驱动放大管的发射极；

引脚12 为供电端，其允许输入电压可达8～40 V，因此无需外部稳压器；

引脚13 为输出控制端，当U13=0时，用于驱动单端电路，该脚接地时，为并联单端输出方式，接引脚14时，为推挽输出方式；

引脚14 为内部5.0 V基准电压输出端，最大输出电流10 mA；

引脚15和16分别为第二组误差放大器的反相和同相输入端。

3.2 驱动电路工作原理

TL494为驱动电路，驱动开关管，其电路原理如附图1所示。引脚9和引脚10产生输入信号PWM[9-12]，如图4所示。

图4 PWM脉冲时序图Fig.4 PWM pulse timing diagram

AR5,C5,R21组成一个有源滤波电路（见附图1），该电路利用C5充放电的缓冲时间，将引脚8输出的方波A（见图4）变换成一个具有上升沿和下降沿的波形B。AR1,R10,R9和U3A组成一个电压比较器（见附图1），其中AR1输出电压为

Uout1作为U3A反向输入端。只有当U3A的正向输入端U1高于Uout1时，U3A才有输出，即

由式（2）可以看出，经过U3A以后输出的波形是一个移相的波形，即波形C。Q10是由2N4351构成的或门电路，其作用是将TL494的第一路输出波形A和经过U3A变换后的波形C作或运算。

由式（3）可知，Uout2的输出波形为U1和U3的公共部分，即波形D，该波形用作主开关的驱动信号。Q9是由2N4351构成的异或门电路，其作用是将TL494的输出波形A和波形C（见图4）做异或运算，即

Uout3的输出波形为波形E，其用作辅助开关管的驱动信号。该波形的导通时间非常短，其导通时间为

式中C5为附图1中电容C5的电容量。

4 实验结果与分析

根据上述ZVT-BOOST的工作原理和参数设计值，本文设计了实际电路，如图5～6所示。整个电路的原理图如附图1所示。

图5 PCB板正面Fig.5 The front of PCB

图6 PCB板反面Fig.6 The back of PCB

软开关变换器样机的主开关及辅助开关管的波形如图7所示。其中，通道CH1显示的是辅助开关管PWM波形，通道CH2显示的是主开关管的PWM波形。从波形图可以看出，主开关管关断时，辅助开关管为低电平；辅助开关管开通时，主开关管为低电平，这说明了本课题组设计的样机起到了软开关的作用。

图7 软开关变换器样机的主开关及辅助开关管输入波形Fig.7 The input waveform of main switch and auxiliary switch of soft-switching converter prototype

该变换器样机的输出电压波形如图8所示，即通道GH1的波形。示波器探头用X10档位，示波器设置为DIV 1 V模式。由图可知，样机的输出电压为48 V左右，基本达到预期效果。

图8 电路输出电压波形Fig.8 Circuit output voltage waveform

对样机进行实测的结果表明，该变换器符合软开关要求，能稳定输出电压，达到了预期效果。

5 结语

本文设计了一个12 V/48 V软开关变换器。该变换器是利用逻辑电路将同一PWM波形做运算变换，输出的主PWM和辅助PWM波形用于驱动主开关和辅助开关；通过MOSFET辅助开关管实现软开关，提高电源工作效率，同时能够保证其输出直流电压的稳定性。对12 V/48 V软开关变换器的测试结果表明，该变换器能应用于EPS电动转向系统。

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（责任编辑：邓彬）

Research of 12 V/48 V Soft Switching Power Converter for EPS

Zhang Wending，Xiao Qianghui，Liao Wuxian
（School of Electrical and Information Engineering，Hunan University of Technology，Zhuzhou Hunan 412007，China）

Analyzed the working principle of ZVT-BOOST circuit,designed main parameters and the control loop of BOOST circuit,and devised a TL494-based soft switching power converter prototype for EPS,whose output voltage was 48 V and output power was 100 W. The test result shows that the prototype outputs voltage stably,the performance meets he design requirements,and the efficiency is beyond 90%.

TL494；electric power steering (EPS) ；soft-switching；voltage stabilizing