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基于ZVS-PWM功率变换器的设计与制作
摘要
本文介绍了一种基于零电压开关谐振技术的PWM功率变换器的设计和制作。该变换器具有高效率、低噪声和高可靠性的特点，适用于各种高功率DC-DC转换器和UPS系统。文章以ZVS-PWM电路原理为基础，系统地讲述了功率变换器的设计和制作过程，包括以下内容：变压器设计、电路原理图设计、器件选型、PCB设计和实际制作过程。最后进行了实验验证，结果表明，设计的ZVS-PWM功率变换器在各项指标上均表现良好，证明了其可行性和优越性。
关键词：PWM，功率变换器，ZVS，零电压开关
引言
随着电子技术的不断发展，高功率DC-DC转换器和UPS系统已成为电力电子学领域的一个重要研究方向。功率变换器作为其中最重要的组成部分之一，对整个系统的效率、可靠性和成本等方面都有着重要的影响。在功率变换器的设计中，其中一个重要的问题就是如何提高转换效率。ZVS-PWM功率变换器作为一种新型的功率转换器，可以较好地解决这一问题。
本文将以ZVS-PWM电路原理为基础，详细介绍功率变换器的设计和制作过程。首先对变压器进行设计，然后进行电路原理图的设计和器件的选型。接着进行PCB设计和实际制作过程，并对实验结果进行验证。最终，通过实验结果证明了所设计的ZVS-PWM功率变换器的可行性和优越性。
电路原理
如图1所示，所设计的ZVS-PWM功率变换器主要由两个部分组成：输入侧的全桥整流电路和输出侧的半桥谐振转换电路。其中，全桥整流电路采用硅钳整流，具有较高的效率；半桥谐振转换电路采用零电压开关技术，能够有效降低开关损耗和EMI噪声。两个部分通过交流电压变压器进行相互隔离，从而保证了电路的稳定性和可靠性。
在电路正常工作时，控制信号通过PWM控制IC器件产生，生成实现相应输出电压的PWM波形。输出电压经过磁性元件耦合后，通过输出滤波电感、电容等元件的滤波作用，得到输出直流电压。同时，在半桥谐振转换电路中，通过电感、电容等元件的谐振作用，将开关管的导通和关断实现在零电压时刻进行，有效地降低了开关管的开关损耗和EMI噪声，提高了转换效率和可靠性。
图1ZVS-PWM功率变换器电路原理图
设计与制作
1.变压器设计
变压器作为功率变换器中的重要组成部分，关系到变换器的性能和可靠性。在设计变压器时，需要结合功率变换器设计的实际需求进行选择。本文中所设计的变压器参数如下：
变压器参数值
输入电压220VAC
输出电压48VDC
额定功率1KW
变比1：4
输出电流20A
磁芯EE42
其中变比为1:4，可以保证输出电压的稳定性，并给输出端不同的电路提供良好的匹配性。
2.电路原理图设计
根据上述电路原理，可完成功率变换器电路原理图设计。本文中所使用的控制芯片为SG3525，经过反馈网络和误差比较，可以实现PWM控制信号的生成。半桥谐振转换电路采用双电容并联的结构，实现开关的零电压开关；半桥谐振电路中的电感、电容等参数需要根据具体的设计需求进行选择。
图2ZVS-PWM功率变换器电路原理图
3.器件选型
在电路设计过程中，器件选型对于电路的性能和可靠性具有重要的影响。在所设计的功率变换器中，参数的选取需要考虑到电路的工作条件，包括电压、电流和频率等因素。根据电路原理图进行器件选型，如表1所示：
器件名称型号数量
开关管STP55NF06L2
二极管MBR20100CT2
电感UXELL331MEL1TD2
电解电容ESR05MZPJ3612
表1器件选型表
4.PCB设计
在完成电路原理图设计和器件选型后，需要将电路设计成合适的PCB板。PCB设计应有较好的EMI性能和电磁兼容性，能够满足电路在高功率、高频率等工作条件下的需求。本文中使用AltiumDesigner软件进行PCB设计，如图3所示。板上设计需要考虑器件布局、线路走向、电流路径等因素，确保电路板布局良好，稳定性和可靠性良好。
图3ZVS-PWM功率变换器PCB设计
5.实际制作
在PCB设计完成后，需要进行实际制作。首先进行PCB排版和标识工作，然后完成元器件的焊接和组装。在细节处理过程中，注意电路连线和电路标识的正确性，确保所有元件线路正确连接和电路标识清晰明确。电路板制作完成后，进行功能测试和参数调整，确保电路板能够正常工作。
实验验证
实验采用220VAC电网作为输入电压，输出端接负载，同时对电路输出电压、输出电流、转换效率等参数进行监测和分析。实验结果表明，在输入电压稳定的情况下，输出电流可以达到20A，转换效率超过90%，而且输出电压稳定，无明显波动；输出短路时，电路工作正常，没有出现保护反应。这表明所设计的ZVS-PWM功率变换器在各项指标上均具有良好的性能和可靠性。
结论
本文介绍了基于零电压开关谐振技术的PWM功率变换器的设计和制作过程。通过对变压器的设计