基于UC3846的大功率DC/DC變換器的研究

摘要：介紹并比較了電壓控制型和電流控制型DC/DC變換器的基本原理，設(shè)計(jì)出了基于電流控制型PWM控制芯片UC3846的大功率DC/DC變換器的實(shí)用電路，提出了兩種UC3846輸出脈沖封鎖方式，設(shè)計(jì)出一種新穎的IGBT驅(qū)動(dòng)電路，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明,該電路具有較好的控制特性和穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：DC/DC變換器；脈寬調(diào)制；電壓控制型；電流控制型；IGBT驅(qū)動(dòng)

0 引言

隨著工業(yè)、航空、航天、軍事等應(yīng)用領(lǐng)域技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對(duì)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的要求也越來(lái)越高。某系統(tǒng)對(duì)大功率開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源提出的要求是：輸入電壓為AC220V，輸出電壓為DC38V，輸出電流為100A。開(kāi)關(guān)電源的結(jié)構(gòu)一般為先進(jìn)行AC/DC然后再DC/DC的形式，考慮到論文篇幅的限制，僅對(duì)DC/DC變換部分進(jìn)行討論。

大功率DC/DC變換器主電路拓?fù)溆泻芏喾N，諸如雙管正激式、推挽式、半橋式和全橋式等?？刂菩酒姆N類(lèi)也非常多，主要分為電流控制型與電壓控制型兩大類(lèi)。電壓控制型只對(duì)輸出電壓采樣，作為反饋信號(hào)進(jìn)行閉環(huán)控制，采用PWM技術(shù)調(diào)節(jié)輸出電壓，從控制理論的角度看，這是一種單環(huán)控制系統(tǒng)。電流控制型是在電壓控制型的基礎(chǔ)上，增加一個(gè)電流負(fù)反饋環(huán)節(jié)，使其成為雙環(huán)控制系統(tǒng)，從而提高了電源的性能。

根據(jù)對(duì)各種拓?fù)浜涂刂品绞降募夹g(shù)成熟程度，工程化實(shí)現(xiàn)難度，電氣性能以及成本等指標(biāo)的比較，本文選用半橋式DC/DC變換器作為主電路，電流型PWM控制芯片UC3846作為該系統(tǒng)的控制單元。

1 電壓控制型脈寬調(diào)制器和電流控制型脈寬調(diào)制器

圖1為電壓控制型變換器的原理框圖。電源輸出電壓的采樣反饋值V_f與參考電壓V_r進(jìn)行比較放大，得到誤差信號(hào)V_e，它與鋸齒波信號(hào)比較后，PWM比較器輸出PWM控制信號(hào)，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管通斷，產(chǎn)生高頻方波電壓，由高頻變壓器傳輸至副方，經(jīng)整流濾波得到所需要的電壓。改變電壓給定V_r，即可改變輸出電壓V_o。

圖1 電壓控制型的原理圖

圖2為電流控制型變換器的原理框圖。恒頻時(shí)鐘脈沖置位R－S鎖存器，輸出高電平，開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通，變壓器原邊的電流線(xiàn)性增大，當(dāng)電流在采樣電阻R_s上的壓降Vs達(dá)到V_e時(shí)，PWM比較器翻轉(zhuǎn)，輸出高電平，鎖存器復(fù)位，驅(qū)動(dòng)信號(hào)變低，開(kāi)關(guān)管關(guān)斷，直到下一個(gè)時(shí)鐘脈沖使R－S鎖存器置位。電路就是這樣逐個(gè)地檢測(cè)和調(diào)節(jié)電流脈沖的。

圖2 電流控制型的原理圖

當(dāng)電源輸入電壓和/或負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，兩種控制類(lèi)型的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度是不同的。如果電壓升高，則開(kāi)關(guān)管的電流增長(zhǎng)速度變快。對(duì)電流控制型而言，只要電流脈沖一達(dá)到設(shè)定的幅值，脈寬比較器就動(dòng)作，開(kāi)關(guān)管關(guān)斷，保證了輸出電壓的穩(wěn)定。對(duì)電壓控制型而言，檢測(cè)電路對(duì)電流的變化沒(méi)有直接的反映，一直等到輸出電壓發(fā)生變化后才去調(diào)節(jié)脈寬，由于濾波電路的滯后效應(yīng)，這種變化需要多個(gè)周期后才能表現(xiàn)出來(lái)，顯然動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度要慢得多，且輸出電壓的穩(wěn)定性也受到一定的影響。

另外，電流控制型變換器還可以很容易地實(shí)現(xiàn)逐個(gè)脈沖控制和多電源的并聯(lián)運(yùn)行，并具有抑制高頻變壓器偏磁的能力。但在應(yīng)用電流控制型時(shí)也要注意以下問(wèn)題：

——占空比大于50％時(shí)，控制電路不穩(wěn)定，這時(shí)須加斜坡補(bǔ)償；

——控制調(diào)節(jié)電路是基于從電感電流取得的信號(hào)，因此，功率部分的振蕩容易將噪聲引入控制電路。

2 電流控制型脈寬調(diào)制器UC3846簡(jiǎn)介

本系統(tǒng)采用了UC3846作為開(kāi)關(guān)控制器。UC3846是一種雙端輸出的電流控制型脈寬調(diào)制器芯片，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)方框圖如圖3所示。其引出的腳1為限流電平設(shè)置端；腳2為基準(zhǔn)電壓輸出端；腳3為電流檢測(cè)放大器的反相輸入端；腳4為電流檢測(cè)放大器的同相輸入端；腳5為誤差放大器的同相輸入端；腳6為誤差放大器的反相輸入端；腳7為誤差放大器反饋補(bǔ)償；腳8為振蕩器的外接電容端；腳9為振蕩器的外接電阻端；腳10為同步端；腳11為PWM脈沖的A輸出端；腳12為地；腳13為集電極電源端；腳14為PWM脈沖的B輸出端；腳15為控制電源輸入端；腳16為關(guān)閉端。

由圖3可以看到，UC3846通過(guò)一個(gè)放大倍數(shù)為3的電流測(cè)定放大器（其輸入電壓必須1.2V）來(lái)獲得電感電流或開(kāi)關(guān)電流信號(hào)，其輸出接PWM比較器的同相端。當(dāng)取樣放大器輸入信號(hào)>1.2V時(shí)，電流型控制器將延時(shí)關(guān)斷。電壓誤差放大器的輸出經(jīng)二極管和0.5V偏壓后送至PWM比較器的反相端，其輸出既作為給定信號(hào)，同時(shí)又被限流電平設(shè)置腳（腳1）箝位在V₁＋0.7V，從而完成了逐個(gè)脈沖限流的目的。當(dāng)差動(dòng)電流檢測(cè)放大器檢測(cè)的是開(kāi)關(guān)電流而不是電感電流時(shí)，由于開(kāi)關(guān)管寄生電容放電，檢測(cè)電流會(huì)有一個(gè)較大的尖峰前沿，可能使電流檢測(cè)鎖存和PWM電路誤動(dòng)作，所以，應(yīng)在電流檢測(cè)輸入端加RC濾波。

圖3 UC3846的內(nèi)部結(jié)構(gòu)方框圖