基于UC3875的全橋軟開關(guān)直流電源設(shè)計方案

0 引言

PWM是英文“Pulse Width Modulation”的縮寫，簡稱脈寬調(diào)制，是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用在從測量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中。

本文介紹了一臺采用移相諧振控制芯片UC3875作為控制核心設(shè)計，開關(guān)頻率為70kHz、輸出功率1.2kW、主電路為移相全橋ZVZCS PWM軟開關(guān)模式的直流開關(guān)電源設(shè)計方案。并應(yīng)用PSpice軟件進行了仿真，實驗結(jié)果與仿真結(jié)果基本符合。

1 系統(tǒng)設(shè)計主電路分析

在設(shè)計制作的1.2kW(480V/2.5A)的軟開關(guān)電源中，其主電路為全橋變換器結(jié)構(gòu)，四只開關(guān)管均為MOSFET(1000V/24A)，采用移相ZVZCSPWM控制，即超前臂開關(guān)管實現(xiàn)ZVS、滯后臂開關(guān)管實現(xiàn)ZCS,電路結(jié)構(gòu)簡圖如圖1,VT1~VT4是全橋變換器的四只MOSFET開關(guān)管，VD1、VD2分別是超前臂開關(guān)管VT1、VT2的反并超快恢復(fù)二極管，C1、C2分別是為了實現(xiàn)VTl、VT2的ZVS設(shè)置的高頻電容，VD3、VD4是反向電流阻斷二極管，以實現(xiàn)滯后臂VT3、VT4的ZCS,Llk為變壓器漏感，Cb為阻斷電容，T為主變壓器，副邊由VD5~VD8構(gòu)成的高頻整流電路以及Lf、C3、C4等濾波器件組成。

其基本工作原理如下：

當(dāng)開關(guān)管VT1、VT4或VT2、VT3同時導(dǎo)通時，電路工作情況與全橋變換器的硬開關(guān)工作模式情況一樣，主變壓器原邊向負載提供能量。通過移相控制，在關(guān)斷VT1時并不馬上關(guān)斷VT4,而是根據(jù)輸出反饋信號決定的移相角，經(jīng)過一定時間后再關(guān)斷VT4,在關(guān)斷VT1之前，由于VT1導(dǎo)通，其并聯(lián)電容C1上電壓等于VT1的導(dǎo)通壓降，理想狀況下其值為零，當(dāng)關(guān)斷VT1時刻，C1開始充電，由于電容電壓不能突變，因此，VT1即是零電壓關(guān)斷。

由于變壓器漏感L1k以及副邊整流濾波電感的作用，VT1關(guān)斷后，原邊電流不能突變，繼續(xù)給Cb充電，同時C2也通過原邊放電，當(dāng)C2電壓降到零后，VD2自然導(dǎo)通，這時開通VT2,則VT2即是零電壓開通。

當(dāng)C1充滿電、C2放電完畢后，由于VD2是導(dǎo)通的，此時加在變壓器原邊繞組和漏感上的電壓為阻斷電容Cb兩端電壓，原邊電流開始減小，但繼續(xù)給Cb充電，直到原邊電流為零，這時由于VD4的阻斷作用，電容Cb不能通過VT2、VT4、VD4進行放電，Cb兩端電壓維持不變，這時流過VT4電流為零，關(guān)斷VT4即是零電流關(guān)斷。

關(guān)斷VT4以后，經(jīng)過預(yù)先設(shè)置的死區(qū)時間后開通VT3,由于電壓器漏感的存在，原邊電流不能突變，因此VT3即是零電流開通。

VT2、VT3同時導(dǎo)通后原邊向負載提供能量，一定時間后關(guān)斷VT2,由于C2的存在，VT2是零電壓關(guān)斷，如同前面分析，原邊電流這時不能突變，C1經(jīng)過VD3、VT3、Cb放電完畢后，VD1自然導(dǎo)通，此時開通VT1即是零電壓開通，由于VD3的阻斷，原邊電流降為零以后，關(guān)斷VT3,則VT3即是零電流關(guān)斷，經(jīng)過預(yù)選設(shè)置好的死區(qū)時間延遲后開通VT4,由于變壓器漏感及副邊濾波電感的作用，原邊電流不能突變，VT4即是零電流開通。

這種采用超快恢復(fù)二極管阻斷原邊反向電流方式的移相式ZVZCS PWM全橋變換器拓撲的理想工作波形如圖2所示，其中Uab表示主電路圖3中a、b兩點之間的電壓，ip為變壓器T原邊電流，Ucb為阻斷電容Ub上的電壓，Urect是副邊整流后的電壓。

2 UC3875的主控制回路設(shè)計

為了實現(xiàn)主回路開關(guān)管ZVZCS軟開關(guān)，采用UC3875為其設(shè)計了PWM移相控制電路，如圖3所示?？紤]到所選MOSFET功率比較大對芯片的四個輸出驅(qū)動信號進行了功率放大，再經(jīng)高頻脈沖變壓器T1、T2隔離最后經(jīng)過驅(qū)動電路驅(qū)動MOSFET開關(guān)管。

整個控制系統(tǒng)所有供電均用同一個15V直流電源，實驗中設(shè)置開關(guān)頻率為70kHz,死區(qū)時間設(shè)置為1.5μs,采用簡單的電壓控制模式，電源輸出直流電壓通過采樣電路、光電隔離電路后形成控制信號，輸入到UC3875誤差放大器的EA一，控制UC3875誤差放大器的輸出，從而控制芯片四個輸出之間的移相角大小，使電源能夠穩(wěn)定工作，圖中R6、C5接在EA一和E/AOUT之間構(gòu)成PI控制。在本設(shè)計中把CS+端用作故障保護電路，當(dāng)發(fā)生輸出過壓、輸出過流、高頻變原邊過流、開關(guān)管過熱等故障時，通過一定的轉(zhuǎn)換電路，把故障信號轉(zhuǎn)換為高于2.5V的電壓接到CS+端，使UC3875四個輸出驅(qū)動信號全為低電平，對電路實現(xiàn)保護。

圖4是開關(guān)管的驅(qū)動電路。隔離變壓器的設(shè)計采用AP法、變比為l:1.3的三繞組變壓器。UC3875輸出的單極性脈沖經(jīng)過放大電路、隔離電路和驅(qū)動電路后形成+12V/一5V的雙極性驅(qū)動脈沖，保證開關(guān)管的穩(wěn)定開通和關(guān)斷。

3 仿真與實驗結(jié)果分析

PSpice是一款功能強大的電路分析軟件，對開關(guān)頻率70kHz的ZVZCS軟開關(guān)電源的仿真是在PSpice9.1平臺上進行的。

實驗樣機的主回路結(jié)構(gòu)采用圖1所示的電路拓撲，阻斷二極管采用超快恢復(fù)大功率二極管RHRG30120,其反向恢復(fù)時間在100ns以內(nèi)，滿足70kHz開關(guān)頻率的要求。開關(guān)管MOSFET采用IXYS公司的IXFK24N100開關(guān)管，這種型號MOS管自身反并有超快恢復(fù)二極管，其反向恢復(fù)時間約250ns.

圖5是超前橋臂開關(guān)管驅(qū)動電壓與管壓降波形圖，(a)為仿真波形、(b)為實驗波形，可見超前臂開關(guān)管完全實現(xiàn)了ZVS開通，VT1、VT2關(guān)斷時是依賴其自身很小的結(jié)電容來實現(xiàn)的，從圖中可以看出，關(guān)斷時也基本實現(xiàn)了ZVS關(guān)斷。