多路獨(dú)立供電的半橋變換器的設(shè)計(jì)

摘  要：介紹了一種功率較大的可多路獨(dú)立供電的半橋DC／DC變換器。采用了有源功率因數(shù)校正技術(shù)以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高功率因數(shù)。DC／DC主電路采用高速雙路PWM芯片UC3825控制的半橋變換器，并且采用了動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，工作頻率高的IR2304作為MOSFET的驅(qū)動(dòng)芯片。
關(guān)鍵詞：半橋變換器；UC3825；功率因數(shù)校正；IR2304；多路；獨(dú)立

0 引言
    隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，電源技術(shù)被廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)。對(duì)電源的要求也各有不同。本文介紹了一種功率較大，多路輸出(20路及以上)并且相互獨(dú)立的開關(guān)電源。

    設(shè)計(jì)采用了AC／DC／AC／DC變換方案。一次整流后的直流電壓，經(jīng)過有源功率因數(shù)校正環(huán)節(jié)以提高系統(tǒng)的功率因數(shù)，再經(jīng)半橋變換電路逆變后，由高頻變壓器隔離降壓，最后整流輸出直流電壓。系統(tǒng)的主要環(huán)節(jié)為有源功率因數(shù)校正電路、DC／DC電路、功率因數(shù)校正電路、PWM控制電路和保護(hù)電路等。采用UC3854A／B控制芯片組成功率因數(shù)校正電路來提高功率因數(shù)，用新型的芯片UC3825作為控制芯片來代替SG3525，不僅外圍電路簡單，而且具有有容差過壓限流功能，還采用了新型IR2304作為驅(qū)動(dòng)芯片，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，且自帶死區(qū)，防止半橋上下管直通。

1 有源功率因數(shù)校正電路
    為了提高系統(tǒng)的功率因數(shù)，整流環(huán)節(jié)不能采用二極管整流，采用了UC3854A／B控制芯片組成功率因數(shù)校正電路。UC3854A／B是Unitrode公司一種新的高功率因數(shù)校正器集成控制電路芯片，是在UC3854基礎(chǔ)上的改進(jìn)，其特點(diǎn)是采用平均電流控制，功率因數(shù)接近1，高帶寬，限制電網(wǎng)電流失真≤3％。圖1是由UC3854A／B控制的有源功率因數(shù)校正電路。

    該電路由兩部分組成。UC3854A／B及外圍元器件構(gòu)成控制部分，實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)側(cè)輸入電流和輸出電壓的控制。功率部分由L2，Cs，S等元器件構(gòu)成Boost升壓電路。開關(guān)管S選擇西門康公司的SKM75GBl23D模塊，其工作頻率選在35 kHz。升壓
電感L2為2mH／20A。C5采用兩個(gè)450V／470µF的電解電容并聯(lián)。為了提高電路在功率較小時(shí)的效率，所設(shè)計(jì)的PFC電路在輕載時(shí)不進(jìn)行功率因數(shù)校正，當(dāng)負(fù)載較大時(shí)功率因數(shù)校正電路自動(dòng)投入使用。此部分控制由圖1中的比較器部分來實(shí)現(xiàn)。R10及R11是負(fù)載檢測電阻。當(dāng)負(fù)載較輕時(shí)，R10及R11上檢測的信號(hào)輸入給比較器，使其輸出端為低電平，D5導(dǎo)通，給ENA(使能端)低電平使UC3854A／B封鎖。在負(fù)載較大時(shí)ENA為高電平才讓UC3854A／B工作。D6接到SS(軟啟動(dòng)端)，在負(fù)載輕時(shí)D6導(dǎo)通，使SS為低電平；當(dāng)負(fù)載增大要求UC3854A／B工作時(shí)，SS端電位從零緩慢升高，控制輸出脈沖占空比慢慢增大實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)。

2 主電路及控制電路
2．1 主電路
    反激式電源一般用在100w以下的電路，而本電源設(shè)計(jì)最大功率達(dá)到300w，顯然不適合。在功率較大的高頻開關(guān)電源中，常用的主變換電路有推挽電路、半橋電路、全橋電路等。其中推挽電路用的開關(guān)器件少，輸出功率大，但開關(guān)管承受電壓高(為電源電壓的2倍)，且變壓器有6個(gè)抽頭，結(jié)構(gòu)復(fù)雜；全橋電路開關(guān)管承受的電壓不高，輸出功率大，但需要的開關(guān)器件多(4個(gè))，驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜；半橋電路開關(guān)管承受的電壓低，開關(guān)器件少，驅(qū)動(dòng)簡單。根據(jù)對(duì)各種拓?fù)浞桨傅碾姎庑阅芤约俺杀镜戎笜?biāo)的綜合比較，本電源選用半橋式DC／DC變換器作為主電路。圖2為主電路拓?fù)鋱D。

    圖2中S1、S2、C1、C2和主變壓器T1構(gòu)成了半橋DC／DC變換電路。MOSFET采用11NC380。電路的工作頻率為80 kHz。變壓器采用E55的鐵氧體磁芯，無須加氣隙。繞制時(shí)采用“三段式”繞法，以減小漏感。R1和R2用以保證電容分壓均勻，R3、C3和R4、C4為MOS管兩端的吸收電路。C5為隔直電容，用來阻斷與不平衡伏秒值成正比的直流分量，平衡開關(guān)管每次不相等的伏秒值。C5采用優(yōu)質(zhì)CBB無感電容。Ct是電流互感器，作為電流控制時(shí)取樣用。D3、D4采用快恢復(fù)二極管，經(jīng)過L1和C6、C7平波濾波后輸出OUT2給控制芯片供電，Rs、R6則是反饋電壓的采樣電阻。主變壓器的輸出OUT3為高頻低壓交流電。如圖2所示，反饋電壓和輸出電壓同一繞組，這樣，可以在負(fù)載變化時(shí)最大限度地保證輸出電壓的穩(wěn)定。后級(jí)可接一個(gè)或多個(gè)多路輸出的變壓器，然后通過整流電路整流，這樣既能保證每路輸出都是獨(dú)立的，又可以得到任意大小的電壓。故可滿足DSP等需要多路不同電壓供電且精度較高的要求。

2．2 控制電路
    系統(tǒng)的控制電路采用高速雙路的PWM控制器UC3825，其內(nèi)部電路主要由高頻振蕩器、PWM比較器、限流比較器、過流比較器、基準(zhǔn)電壓源、故障鎖存器、軟啟動(dòng)電路、欠壓鎖定、PWM鎖存器、輸出驅(qū)動(dòng)器等組成。它比SG3525具有更多優(yōu)點(diǎn)：
    1)改進(jìn)了振蕩電路，提高了振蕩頻率的精度，并且具有更精確的死區(qū)控制；
    2)具有限流控制功能，且門檻電流有5％的容差；
    3)低啟動(dòng)電流(100MA)；
    4)UC3825關(guān)斷比較器是一個(gè)高速的過流比較器，它具有1．2v的門檻值，保證芯片重新啟動(dòng)前軟啟動(dòng)電容完全放電，在超過門檻值時(shí)，輸出為低電平狀態(tài)，防止上下橋臂同時(shí)導(dǎo)通而引起短路。圖3為主電路的控制電路。

    前級(jí)的R808和R809與穩(wěn)壓管構(gòu)成一個(gè)啟動(dòng)電路，觸發(fā)UC3825開始工作后，由反饋輸出OUT1自供電。PWM的調(diào)制波由R1和CT振蕩產(chǎn)生，RT、CT一般按式(1)及式(2)選取。
    RT=3V/{（10mA）*(1-Dmax)}     (1)

    CT=(1.6*Dmax)/(Rt*f)              (2)
式中：f=80kHz，為所取的頻率。

    腳1(INV)、腳2(E／A)和腳3(HI)構(gòu)成一誤差放大器，做為電壓反饋用，腳9(ILIM)為限流，腳8(SS)為軟啟動(dòng)，腳11(0UTA)及腳14(0UTB)為輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)。從圖3中可看出，UC3825功能比較全，外圍電路簡單，可有效減少PCB的布線與外圍元器件，提高了系統(tǒng)的可靠性。

2．3 驅(qū)動(dòng)電路
    MOSFET的驅(qū)動(dòng)可采用脈沖變壓器，它具有體積小，價(jià)格低的優(yōu)點(diǎn)，但直接驅(qū)動(dòng)時(shí)，脈沖的前沿與后沿不夠陡，影響MOSFET的開關(guān)速度。在此，采用了IR2304芯片，它是IR公司新推出的多功能600v高端及低端驅(qū)動(dòng)集成電路，它具有以下優(yōu)點(diǎn)。

    1)芯片體積小(DIP8)，集成度高(可同時(shí)驅(qū)動(dòng)同一橋臂的上、下兩只開關(guān)器件)。
    2)動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，通斷延遲時(shí)間220／220 ns(典型值)、內(nèi)部死區(qū)時(shí)間1000ns、匹配延遲時(shí)間50ns。
    3)驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，可驅(qū)動(dòng)600v主電路系統(tǒng)，具有61 mA／130mA輸出驅(qū)動(dòng)能力，柵極驅(qū)動(dòng)輸入電壓寬達(dá)10～20V。
    4)工作頻率高，可支持100 kHz或以下的高頻開關(guān)。
    5)輸入輸出同相設(shè)計(jì)，提供高端和低端獨(dú)立控制驅(qū)動(dòng)輸出，可通過兩個(gè)兼容3．3v、5v和15v輸入邏輯的獨(dú)立CMOS或LSTFL輸入來控制，為設(shè)計(jì)帶來了很大的靈活性。
    6)低功耗設(shè)計(jì)，堅(jiān)固耐用且防噪效能高。IR2304采用高壓集成電路技術(shù)，整合設(shè)計(jì)既降低成本和簡化電路，又降低設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)和節(jié)省電路板的空間，相比于其它分立式、脈沖變壓器及光耦解決方案，IR2304更能節(jié)省組件數(shù)量和空間，并提高可靠性。
    7)具有電源欠壓保護(hù)和關(guān)斷邏輯，IR2304有兩個(gè)非倒相輸入及交叉?zhèn)鲗?dǎo)保護(hù)功能，整合了專為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的半橋MOSFET或IGBT電路而設(shè)的保護(hù)功能。當(dāng)電源電壓降至4．7v以下時(shí)，欠壓鎖定(UVL0)功能會(huì)立即關(guān)掉兩個(gè)輸出，以防止直通電流及器件故障。當(dāng)電源電壓大于5v時(shí)則會(huì)釋放輸出(綜合滯后一般為0.3v)。過壓(HVIC)及防閉鎖CMOS技術(shù)使IR2304非常堅(jiān)固耐用。另外，IR2304還配備有大脈沖電流緩沖級(jí)，可將交叉?zhèn)鲗?dǎo)減至最低；同時(shí)采用具有下拉功能的施密特(Sohmill)觸發(fā)式輸入設(shè)計(jì)，可有效隔絕噪音，以防止器件意外開通。

    如圖4所示為IR2304的連線圖，

    可以看出，IR2304具有連線簡單，外圍元器件少的優(yōu)點(diǎn)。其中VCC由主電路中OUT2自供電，LIN和HIN分別接UC3825的兩個(gè)輸出端，VD要采用快恢復(fù)二極管，C1為濾波電容，C2為自舉電容，最好采用性能好的鉭電容，R1和R2為限流電阻。

2.4 保護(hù)電路設(shè)計(jì)
    對(duì)于DC／DC電源產(chǎn)品都要求在出現(xiàn)異常情況(如過流、過載)時(shí)，系統(tǒng)的保護(hù)電路工作，使變換器及時(shí)停止工作。UC3825的保護(hù)電路設(shè)計(jì)也比較簡單，如圖5所示，

    通過電流互感器得到的采樣電流，經(jīng)過轉(zhuǎn)換后送到UC3825腳9(ILJIM)，當(dāng)電流超過預(yù)定值時(shí)，UC3825自動(dòng)封鎖輸出脈沖，起到保護(hù)作用。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及波形
    圖6～圖9為樣機(jī)的部分實(shí)驗(yàn)波形。

4 結(jié)語
    所制作的工程樣機(jī)，已經(jīng)通過性能測試。該系統(tǒng)采用UC3854A／B控制芯片組成功率因數(shù)校正電路，在輕載時(shí)不工作，有利于提高效率，在重載時(shí)電路自動(dòng)投入工作，提高了大功率時(shí)的功率因數(shù)。主電路控制采用了新型的芯片UC3825，具有有容差過壓限流功能，而且外圍電路簡單，穩(wěn)定性好，還采用了新型的動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，工作頻率高的IR2304作為驅(qū)動(dòng)芯片，具有電源欠壓保護(hù)和關(guān)斷邏輯功能，與以前的電源相比，只增加了有限的成本，但系統(tǒng)的穩(wěn)定性大大提高了，頻率的精度提高了，輸出電壓更穩(wěn)定，當(dāng)負(fù)載由最輕至300W變化時(shí)，輸出電壓變化<1％。變壓器輸出既可在主變壓器上采用多抽頭，也可接二級(jí)變壓器來得到不同電壓的獨(dú)立輸出。