基于UCC3895的移相全橋變換器的設(shè)計(jì)

基于UCC3895的移相全橋變換器的設(shè)計(jì)

針對新型的移相PWM控制器UCC3895,介紹了其基本的功能及與UC3875(79)系列的控制器相比所具有的特點(diǎn)。并將該控制器應(yīng)用于20kHz／500W移相全橋電源,進(jìn)行了開環(huán)和閉環(huán)的系統(tǒng)實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所進(jìn)行的設(shè)計(jì)是合理的,UCC,3895有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。

??? 關(guān)鍵詞：移相全橋變換器;UCCt895;設(shè)計(jì)

??? 引言

??? 移相全橋(Full-Bridge,FB)PWM變換器是一種應(yīng)用廣泛,適用于較大功率、低電壓等場合的變換器。該變換器采用PWM移相控制,在不附加其他額外元器件,電路成本和復(fù)雜程度基本不變的情況下,利用變壓器的漏感和功率開關(guān)管的結(jié)電容進(jìn)行諧振,使功率管實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)(ZVS),從而減小了開關(guān)損耗,變換器的效率可大于80％,并且開關(guān)電壓應(yīng)力的減小使得開關(guān)頻率可以進(jìn)一步得到提高,可達(dá)到100 kHz～500 kHz,故該變換器適應(yīng)當(dāng)今開關(guān)電源高頻化、高效化的發(fā)展趨勢,有廣闊的應(yīng)用前景。

??? 實(shí)現(xiàn)全橋變換器的移相PWM控制的方法很多,比如：采用分立器件進(jìn)行邏輯組合,采用專用的集成控制芯片,采用DSP或CPLD數(shù)字實(shí)現(xiàn)等。第一種方法較為復(fù)雜,不利于工業(yè)應(yīng)用,第三種方法的成本相對較高;而采用專用的集成控制器是電源開發(fā)設(shè)計(jì)者們較多采用的方法。當(dāng)今應(yīng)用較多的移相全橋集成控制芯片主要是UC3879和UC3875／6／7／8系列。UC3879作為UC3875的改進(jìn)型,其工作原理和基本結(jié)構(gòu)是相同的,但在一些功能上進(jìn)行了改進(jìn)。UCC3895是TI公司生產(chǎn)的又一種高性能PWM移相型控制器。它是UC3879的改進(jìn)型,除了具有UC38779的功能外,最大的改進(jìn)是增加了自適應(yīng)死區(qū)設(shè)置,以適應(yīng)負(fù)載變化時(shí)不同的準(zhǔn)諧振軟開關(guān)要求。新增加了PWM軟關(guān)斷能力。同時(shí)由于它采用了BCDMOS工藝,使得它的功耗更小,工作頻率更高,因而更加符合電力電子裝置高效率、高頻率、高可靠的發(fā)展要求。

??? 本文首先介紹了UCC3895的電氣特性、管腳的基本功能及電壓型控制或峰值電流控制的實(shí)現(xiàn)。然后應(yīng)用UCC3895設(shè)計(jì)了220 V輸入、24 V輸出、開關(guān)頻率20kHz、功率500W的移相全橋電源,并給出了開環(huán)和閉環(huán)實(shí)驗(yàn)的主要波形。

??? 1 UCC3895應(yīng)用特性

??? UCC3895有以下特性：可編程輸出開通延時(shí)和自適應(yīng)延時(shí)設(shè)置;既可用于電流模式,又可用于電壓模式;可實(shí)現(xiàn)輸出脈沖占空比從0％～100％相移控制;內(nèi)置7 MHz帶寬的誤差比較放大器,最高工作頻率1 MHz等。它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

???

??? 腳ADS是該控制芯片新增的控制管腳,其功能是設(shè)置所設(shè)定輸出延時(shí)死區(qū)最大值與最小值之間的比。

??? 當(dāng)腳ADS與電流傳感腳CS直接相連時(shí),延時(shí)死區(qū)時(shí)間最小;當(dāng)腳ADS直接接地時(shí),延時(shí)死區(qū)時(shí)間最大。

??? 腳ADS可通過式(1)所列關(guān)系改變腳DELAB和腳DELCD上的電壓,從而改變輸出延時(shí)。

???
???
??? 式中：VDEL為腳DELAB和DELCD上的電壓;
??? VCS為腳CS上取樣電流的電壓;
??? VADS為腳ADS上所施加的設(shè)定電壓。

??? 腳CS為電流檢測比較器的反相輸入端。當(dāng)電路工作在峰值電流模式下時(shí),該引腳信號可實(shí)現(xiàn)逐個(gè)周期的電流限制功能,同時(shí)在任何情況下當(dāng)電路過流時(shí),芯片立刻封鎖輸出進(jìn)入軟啟動(dòng)周期實(shí)現(xiàn)有效的保護(hù)功能。

??? 腳RAMP、當(dāng)UCC3895工作于電壓或平均電流控制模式下,該腳接振蕩器輸出腳CT時(shí),該引腳接電流信號腳CS時(shí),則UCC3895工作在峰值電流模式下。

???

??? 同步振蕩器的工作頻率由定時(shí)電容CT和定時(shí)電阻RT決定。振蕩周期可由式(2)近似得到

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??? 同一橋臂上的兩個(gè)管子的死區(qū)延時(shí)時(shí)間可由式(3)確定,
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??? 式中：RDEL為腳DELAB與地間所接的電阻。

??? UCC3895與UC3875、UC3879等傳統(tǒng)的移相控制芯片的參數(shù)比較如表l所列。

???

??? 從表1可看出UCC3895的功耗明顯減小,相應(yīng)速度最快,但是驅(qū)動(dòng)能力相對UC3875而言較小,所以在實(shí)際應(yīng)用中還要根據(jù)情況合理選擇芯片。

??? 2 主電路與控制電路參數(shù)設(shè)計(jì)

??? 本文所設(shè)計(jì)的電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示。

???

??? 主電路中變壓器的設(shè)計(jì)是影響電路性能的關(guān)鍵。根據(jù)參考文獻(xiàn)[4],選用面積乘積法來設(shè)計(jì)高頻變壓器。設(shè)變壓器的輸出功率為Po,變壓器的效率為η,填充系數(shù)為Ku,導(dǎo)線的電流密度為J,一個(gè)高頻周期內(nèi)開關(guān)導(dǎo)通的時(shí)間為tom,變壓器變化的磁密為△B,則可以得到下面的計(jì)算公式。

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????
??? 又因?yàn)楦哳l變壓器為雙向激磁,所以△B=2 BmBm為磁芯最大的工作磁密;設(shè)開關(guān)頻率為f 及占空比為D,則有ton=0．5D／fo將上述關(guān)系帶入到式(4)中可得

???
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??? 選取參數(shù)：Po=500W;f=20kHz;對于R2KB材質(zhì)的鐵氧體磁芯可選擇最大工作磁感應(yīng)強(qiáng)度Bm=1700Gs;填充系數(shù)Ku=O．3;導(dǎo)線電流密度J=3A／mm2;變壓器的變換效率η=0 98。可得AcAw=4.614 cm4,通過查閱變壓器磁芯手冊可知選用EE80磁芯。

??? 變壓器原邊匝數(shù)計(jì)算公式為

???
????
??? 式中：Vimax為輸入電壓的最大值。

??? 變壓器副邊匝數(shù)的計(jì)算公式為???

???

??? 式中：Vimin為輸入電壓的最小值;
??? Vomax為輸出電壓的最大值。
??? 將參數(shù)代入計(jì)算并取整后呵得原副邊匝數(shù)為：N1=114匝,N2=14匝。
??? 主電路中其他主要參數(shù)為
??? 開關(guān)器件選用MOSFET IXTH25N60;
??? 并聯(lián)電容選用 l000 pF／630V;
??? 諧振電感30 μH。

??? 系統(tǒng)采用PI控制的電壓閉環(huán),通過對移相全橋變換器數(shù)學(xué)模型的分析,并通過PSPICE14．O的仿真研究,最后確定調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為：???

??? ?

??? 3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

??? 在分析了UCC3895的主要管腳功能和基本特性的基礎(chǔ)上,制作了一臺AC 220 V輸入、DC24V輸出的移相全橋變換器樣機(jī)以驗(yàn)證芯片的功能和所設(shè)計(jì)參數(shù)的正確性。

??? 控制電路采用UCC3895控制器,驅(qū)動(dòng)采用IR2110,控制電路原理如圖3所示。

???

??? 實(shí)驗(yàn)所得主要波形如圖4～圖7所示。

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???

??? 圖6和圖7中的vgs1和vgs2分別為超橋臂功率開關(guān)S1與滯后橋臂S4的驅(qū)動(dòng)信號波形;vDs1和vDS4分別為S1與S4漏源極之間的電壓波形。從驅(qū)動(dòng)信號與漏源電壓的對應(yīng)關(guān)系可以看出,功率開關(guān)實(shí)現(xiàn)了ZVS。

??? 圖8為電壓閉環(huán)時(shí),負(fù)載0～3A突變時(shí)輸出電壓和電流的對應(yīng)關(guān)系。從圖8中可以看出所選擇的調(diào)節(jié)器參數(shù)較好地滿足了系統(tǒng)的快速性和穩(wěn)定性。

??? 4 結(jié)語

??? 新型移相全橋控制器UCC3895與傳統(tǒng)的移相控制器相比,在保留的基本功能的前提下,改進(jìn)了設(shè)計(jì),增強(qiáng)了功能,減小了功耗,從而整個(gè)變換器系統(tǒng)的效率及可靠性得到了進(jìn)一步優(yōu)化。本文通過制作實(shí)驗(yàn)樣機(jī),進(jìn)行開環(huán)和閉環(huán)的實(shí)驗(yàn)研究,進(jìn)一步驗(yàn)證了該芯片用于軟開關(guān)移相全橋變換器控制的可行性和有效性。