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(jìn)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(jìn)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(fù)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(jìn)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(fù)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?fù)涞睦硐牍ぷ鞑ㄐ稳鐖D2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(jìn)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(hù)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(hù)。
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(jìn)行的。
實驗樣機(jī)的主回路結(jié)構(gòu)采用圖1所示的電路拓?fù)?,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。[!--empirenews.page--]
圖6是滯后橋臂開關(guān)管驅(qū)動電壓與電流波形圖,(a)為仿真波形、(b)為實驗波形;
圖7是滯后臂開關(guān)管管壓降與電流波形圖,(a)為仿真波形、(b)為實驗波形。
從圖6、圖7可以看出滯后臂開關(guān)管VT3、VT4很好地實現(xiàn)了ZCS關(guān)斷,關(guān)斷時開關(guān)管電流已經(jīng)為零;滯后臂開關(guān)管完全開通之前,開關(guān)管電流也幾乎為零,基本實現(xiàn)了ZCS開通。而且滯后橋臂開關(guān)管VT3、VT4可以在很大負(fù)載范圍內(nèi)實現(xiàn)ZCS開關(guān)。
圖8是兩橋臂中點之間的電壓Uab的波形圖,(a)為仿真波形、(b)為實驗波形。
圖9是阻斷電容Cb上的電壓U曲波形,(a)為仿真波形、(b)為實驗波形。
從圖上可以看出,由于有Ucb的存在,Uab不是一個方波。當(dāng)Uab=0時,阻斷電容Cb上的電壓Ucb使原邊電流ip逐漸減小到零,由于阻斷二極管的阻斷作用,ip不能反向流動,從而實現(xiàn)了滯后橋臂的ZCS開關(guān)。
4 結(jié)論
本文提出了一種基于UC3875的全橋軟開關(guān)直流電源設(shè)計方案,該方案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。并應(yīng)用PSpice軟件進(jìn)行了仿真,實驗表明以UC3875為核心的控制部分結(jié)構(gòu)簡單可靠,電源主電路開關(guān)管均實現(xiàn)了軟開關(guān),并克服了單純的ZVS或ZCS軟開關(guān)模式的缺點,可有效減小開關(guān)管開關(guān)過程引起的損耗,有利于提高電源開關(guān)頻率,減小電源體積和重量。