基于UCC3895-的移相全橋軟開關(guān)升壓變換器設(shè)計(jì)

您現(xiàn)在的位置：首頁>模塊電源>正文基于UCC3895的移相全橋軟開關(guān)升壓變換器設(shè)計(jì)2007-4-29|瀏覽次數(shù)88次

來源：李曉玲鄧焰何湘寧

摘要：研究了一種新型的高頻DC/DC開關(guān)功率變換器，采用單電壓環(huán)移相PWM控制，在比擬低的變壓器匝比條件與較大的負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了開關(guān)器件的零電壓軟開關(guān)〔ZVS〕。最后給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果和幾個(gè)主要波形，并做出了詳細(xì)的說明。

關(guān)鍵詞：DC/DC變換器；移相PWM控制；零電壓軟開關(guān)〔ZVS〕；UCC3895；升壓變換器

；

引言

目前，全橋變換電路是國內(nèi)外DC/DC變換器中最常用的電路拓?fù)湫问街唬诖?、中功率?yīng)用場(chǎng)合更是首選拓?fù)?。其中以移相PWM方式進(jìn)行控制的全橋電路，在近幾年得到了極為廣泛的應(yīng)用。但是傳統(tǒng)的PWMDC/DC移相全橋零電壓軟開關(guān)〔ZVS〕變換器一般都是應(yīng)用在升壓比為1左右的情況下，本文要介紹的變換器那么是在升壓比為22的比擬極端的狀態(tài)下基于UCC3895芯片來實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)。1改良型移相全橋ZVSDC/DC變換器主電路設(shè)計(jì)1.1指標(biāo)要求

其主要技術(shù)指標(biāo)要求如下：

〔1〕輸入電壓DC48V〔DC40V～57V〕；

〔2〕輸出電壓DC±370V；

〔3〕輸出功率2000V·A。1.2主電路拓?fù)渑c根本工作原理

移相全橋ZVSDC/DC變換器主電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1移相全橋ZVS主電路

其根本工作原理為，在PWM控制方式下，直流電壓VBAT施加在由S1~S4共4只開關(guān)管構(gòu)成的兩個(gè)橋臂上。當(dāng)兩只成對(duì)角的開關(guān)管S1、S4或S2、S3同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，功率從源側(cè)通過變壓器T向負(fù)載傳送；當(dāng)所有開關(guān)管均關(guān)斷時(shí)，負(fù)載電流將通過整流二極管續(xù)流，同時(shí)濾波電容Cf為負(fù)載繼續(xù)提供能量。通過相移方式控制4只開關(guān)管的通斷順序，在變壓器的原邊將得到按某一占空比D變化的正負(fù)半周對(duì)稱的交流方波電壓。如果變壓器的變比為n，那么變壓器次邊將產(chǎn)生幅值為Vin/n的交流方波電壓，經(jīng)過二極管組成的整流電路和電感Lf、電容Cf組成的低通濾波電路最終就可得到所要求的平滑直流輸出電壓。

由于本電路的升壓比比擬高，所以在架構(gòu)與參數(shù)設(shè)計(jì)上都存在一定的難度。關(guān)于參數(shù)設(shè)計(jì)的內(nèi)容將會(huì)在下文中涉及到，而本電路拓?fù)渑c根本型電路在架構(gòu)上的主要差異那么在于以下兩點(diǎn)。

〔1〕主電路采用根本的移相全橋軟開關(guān)變換器，副邊整流電路由于屬于高壓大電流型，且為了實(shí)現(xiàn)正負(fù)母線電壓，副邊采用兩組全橋整流電路進(jìn)行串聯(lián)的方式。這樣可以大大地降低我們對(duì)于整流二極管的選型難度，改善二極管電氣特性。否那么，按照變壓器變比為1∶22，副邊二極管的耐壓至少應(yīng)為Vin_max×22，即1254V。再考慮到一定的裕量，那么沒有方法選到適宜的整流二極管型號(hào)。

〔2〕變壓器原邊不需要外加飽和電感，而且由于該電路為單電壓環(huán)控制，所以需要外加一個(gè)隔直電容。超前臂的開關(guān)關(guān)斷時(shí)，原邊電流近似為恒流特性，使得電路有充足的能量為即將開通的開關(guān)結(jié)電容放電，從而易于實(shí)現(xiàn)ZVS。滯后橋臂實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)就比擬困難。諧振電感是用來幫助實(shí)現(xiàn)滯后橋臂的零電壓開關(guān)，為開關(guān)管的零電壓開關(guān)諧波電感Lr1提供足夠的能量。為了實(shí)現(xiàn)滯后橋臂的零電壓開關(guān)，必須滿足式〔1〕的關(guān)系，即

式中：Iout_0.3代表30％負(fù)載時(shí)的輸出電流；

Vin_max為直流輸入電壓的最大值；

Cmos為電路等效電容。

實(shí)際計(jì)算結(jié)果顯示，變壓器的原邊漏感就已經(jīng)足以提供這個(gè)諧振電感了，所以本電路不需要外加諧振電感。實(shí)際上在空載的時(shí)候，就已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了全橋電路的零電壓開關(guān)。1.3主電路參數(shù)設(shè)計(jì)1.3.1主變壓器的設(shè)計(jì)

全橋變換器，由于變壓器工作在磁化曲線的正負(fù)兩個(gè)方向，所以變壓器利用率較高。設(shè)計(jì)過程中主要存在的問題是對(duì)原邊漏感大小的限制，因?yàn)樽儔浩髟吢└械拇笮≈苯佑绊懙礁边呎伎毡鹊膯适б约案边呺妷弘娏鞯恼袷帯８边呎伎毡葐适荘S原ZVS原PWM變換器的一個(gè)特有現(xiàn)象。當(dāng)變壓器原邊電流換向的過程中原邊缺乏以提供負(fù)載電流，副邊整流橋全部二極管導(dǎo)通，端電壓為零，這就是占空比的喪失。其大小是與原邊漏感大小成正比，而與變壓器變比成反比的。隨著變比的降低，對(duì)原邊漏感的要求就越來越苛刻，現(xiàn)在的變比低到1頤22，所以變壓器原邊的漏感就相應(yīng)地要求非常小，才能保證功率的正常輸出。在實(shí)際的設(shè)計(jì)中，變壓器原邊采用銅皮繞制，并將其繞在兩個(gè)副邊繞組之間以盡量減小其漏感，實(shí)際結(jié)果良好，漏感控制在0.2μH左右，副邊占空比喪失那么在0.05以下，符合設(shè)計(jì)要求。1.3.2濾波電感的設(shè)計(jì)

由于輸出電感的電流是單方向流動(dòng)的，且根本上是一個(gè)直流量，并迭加一個(gè)很小的2倍于開關(guān)頻率的交流分量，所以其工作時(shí)的磁通密度可以接近飽和磁通密度。鐵粉磁芯因?yàn)樵试S的工作磁通密度大，比擬適合用作濾波電感的鐵心。工程設(shè)計(jì)中一般的經(jīng)驗(yàn)算法是，在臨界連續(xù)狀態(tài)下濾波電感電流的平均值為滿載時(shí)輸出平均電流的10%，電感量的估算公式如式〔2〕所列。

式中：Vomin為輸出直流電壓的最小值；

fs為開關(guān)頻率；

Iomax為滿載輸出電流；

n為變壓器變比；

Vin為變壓器原邊輸入電壓；

VD為整流二極管導(dǎo)通壓降。1.4控制環(huán)參數(shù)設(shè)計(jì)1.4.1UCC3895控制器

UCC3895是一種移相式PWM脈寬調(diào)制控制器。它實(shí)現(xiàn)全橋功率級(jí)的變換，是通過開關(guān)一個(gè)半橋電路相對(duì)于另一個(gè)半橋電路作移相來控制的。它采用恒頻脈寬調(diào)制，結(jié)合諧振式零電壓開關(guān)，提供高頻率的高效率工作。UCC3895作為最新型相移控制器的代表，相對(duì)于早期的控制器，比方UC3875/6/7/8系列和UC3879，UCC3895既保持了原有的功能，又做了一些值得稱道的改良，包括其恰當(dāng)?shù)难訒r(shí)設(shè)置，關(guān)閉能力的提高，需求的驅(qū)動(dòng)電流大大減少，控制邏輯也大大增強(qiáng)等。1.4.2電壓反應(yīng)環(huán)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

由于全橋變換器本質(zhì)上屬于Buck變換器，同時(shí)，濾波電感與濾波電容的存在可以看出其為一個(gè)具有兩個(gè)極點(diǎn)的二階系統(tǒng)，幅頻特性曲線在極點(diǎn)頻率之前是一條直線，而在其后是一條以每十倍頻程-40dB下降的斜線。為了保證整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定，一般需要閉環(huán)幅頻特性曲線通過0dB線時(shí)其斜率為每十倍頻程-20dB。顯然必須在電壓調(diào)節(jié)環(huán)中參加適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，才能使系統(tǒng)滿足這個(gè)要求。

控制環(huán)系統(tǒng)框圖如圖2所示。圖2控制環(huán)系統(tǒng)框圖

式中：Rc為濾波電容Cf的等效串聯(lián)電阻；

Vsaw為UCC3895三角波峰值。

對(duì)于一般的開關(guān)調(diào)壓系統(tǒng)而言，補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的兩個(gè)極點(diǎn)配置一般在1.5倍穿越頻率處，而兩個(gè)零點(diǎn)那么配置在系統(tǒng)的轉(zhuǎn)折頻率兩端。再結(jié)合以上關(guān)系式就可以找到適宜的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的傳輸函數(shù)使系統(tǒng)穩(wěn)定。1.4.3死區(qū)時(shí)間設(shè)置

UCC3895允許用戶選擇死區(qū)時(shí)間，并可以對(duì)兩個(gè)半橋電路提供各自不同的死區(qū)時(shí)間，以適應(yīng)不同的諧振電容充電電流。但是，本電路在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中為了簡單起見，將兩個(gè)死區(qū)時(shí)間設(shè)

置為相同的750ns。死區(qū)時(shí)間的選擇主要考慮兩個(gè)因素。首先最根本的，死區(qū)時(shí)間應(yīng)該大于功率開關(guān)管的開通與關(guān)斷時(shí)間之和，否那么就不能防止單邊橋臂的直通問題。其次對(duì)于滯后橋臂來說，如果死區(qū)時(shí)間過長，由于諧振電感較小，原邊電流過零后死區(qū)時(shí)間仍未結(jié)束，那么滯后橋臂并聯(lián)電容又發(fā)生充放電過程，不僅不能實(shí)現(xiàn)ZVS，系統(tǒng)還會(huì)開始振蕩。所以滯后橋臂死區(qū)時(shí)間長短的選擇，是一件涉及眾多因素的難題，是全橋軟開關(guān)移相控制的重要設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。1.4.4軟啟動(dòng)電路設(shè)計(jì)

UCC3895的SS/DISB腳組合了兩個(gè)獨(dú)立的功能，一個(gè)是失效模式，另一個(gè)是軟啟動(dòng)模式。芯片的快速關(guān)閉是由如下的任意一種方法來實(shí)現(xiàn)的：在外部迫使SS/DISB低于0.5V；在外部迫使Vref低于4V；VDD降到低于UNLO欠壓鎖定門限電平；或者過流故障信號(hào)被傳感〔CS＝2.5〕。對(duì)于以上幾種情況芯片都有不同的處理方式，這是UCC3895一個(gè)很有特色也很實(shí)用的設(shè)計(jì)，合理地利用這一設(shè)計(jì)可以大大增加電路的靈活性。軟啟動(dòng)的時(shí)間由該腳外加的電容器大小決定。另外，在電容器上可以并聯(lián)一個(gè)電阻，以限制該腳的最大電壓。2實(shí)驗(yàn)結(jié)果

滯后橋臂比超前橋臂容易實(shí)現(xiàn)ZVS，而實(shí)際測(cè)試中滯后橋臂在空載的時(shí)候就已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了ZVS，具體波形如圖3所示。圖3滯后橋臂的開關(guān)過程

其中CH1為滯后橋臂上管驅(qū)動(dòng)波形，CH2為該管vDS波形。由圖3可以清楚地看出在關(guān)斷的時(shí)候當(dāng)下面的驅(qū)動(dòng)波形電壓下降到零以后，上面的管電壓才開始上升；開通的過程中，管電壓下降到零后，驅(qū)動(dòng)電壓才開始上升，管子在管電壓為零的情況下導(dǎo)通。

在滿載的情況下，變壓器原邊電壓與電流的波形如圖4所示。圖4變壓器原邊電壓與電流波形

圖4中CH1為原邊電