基于UC3846的大功率DC/DC變換器的研究
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)動引言
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，人們對開關(guān)穩(wěn)壓電源的要求也越來越高。某系統(tǒng)對大功率開關(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類也非常多，主要分為電流控制型與電壓控制型兩大類。電壓控制型只對輸出電壓采樣，作為反饋信號進(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。
圖1
根據(jù)對各種拓?fù)浜涂刂品绞降募夹g(shù)成熟程度，工程化實現(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[1]
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Vf與參考電壓Vr進(jìn)行比較放大，得到誤差信號Ve，它與鋸齒波信號比較后，PWM比較器輸出PWM控制信號，經(jīng)驅(qū)動電路驅(qū)動開關(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Vr，即可改變輸出電壓Vo。
圖2為電流控制型變換器的原理框圖。恒頻時鐘脈沖置位R－S鎖存器，輸出高電平，開關(guān)管導(dǎo)通，變壓器原邊的電流線性增大，當(dāng)電流在采樣電阻Rs上的壓降Vs達(dá)到Ve時，PWM比較器翻轉(zhuǎn)，輸出高電平，鎖存器復(fù)位，驅(qū)動信號變低，開關(guān)管關(guān)斷，直到下一個時鐘脈沖使R－S鎖存器置位。電路就是這樣逐個地檢測和調(diào)節(jié)電流脈沖的。
圖2
當(dāng)電源輸入電壓和/或負(fù)載發(fā)生變化時，兩種控制類型的動態(tài)響應(yīng)速度是不同的。如果電壓升高，則開關(guān)管的電流增長速度變快。對電流控制型而言，只要電流脈沖一達(dá)到設(shè)定的幅值，脈寬比較器就動作，開關(guān)管關(guān)斷，保證了輸出電壓的穩(wěn)定。對電壓控制型而言，檢測電路對電流的變化沒有直接的反映，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)，這種變化需要多個周期后才能表現(xiàn)出來，顯然動態(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現(xiàn)逐個脈沖控制和多電源的并聯(lián)運行，并具有抑制高頻變壓器偏磁的能力。但在應(yīng)用電流控制型時也要注意以下問題：
——占空比大于50％時，控制電路不穩(wěn)定，這時須加斜坡補償；
——控制調(diào)節(jié)電路是基于從電感電流取得的信號，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簡介[2]
本系統(tǒng)采用了UC3846作為開關(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[2]。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為電流檢測放大器的反相輸入端；腳4為電流檢測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通過一個放大倍數(shù)為3的電流測定放大器（其輸入電壓必須<1.2V）來獲得電感電流或開關(guān)電流信號，其輸出接PWM比較器的同相端。當(dāng)取樣放大器輸入信號>1.2V時，電流型控制器將延時關(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，同時又被限流電平設(shè)置腳（腳1）箝位在V1＋0.7V，從而完成了逐個脈沖限流的目的。當(dāng)差動電流檢測放大器檢測的是開關(guān)電流而不是電感電流時，由于開關(guān)管寄生電容放電，檢測電流會有一個較大的尖峰前沿，可能使電流檢測鎖存和PWM電路誤動作，所以，應(yīng)在電流檢測輸入端加RC濾波。
圖4
UC3846具有快速保護(hù)功能，它與電流取樣電路延時關(guān)斷不同。保護(hù)功能腳（腳16）經(jīng)檢測放大器接晶閘管的門極，當(dāng)電路發(fā)生異常出現(xiàn)過流，使腳16電位上升到0.35V，保護(hù)電路動作，晶閘管導(dǎo)通，使腳1電平被拉至接近地電平，電路進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)，輸出脈沖封鎖。
3 大功率DC/DC變換器的實現(xiàn)
3.1 DC/DC變換器主電路
由于該DC/DC變換器的輸入電壓較高，主電路選取半橋式拓?fù)鋄2][3]，如圖4所示。V1，V2，C3，C4和主變壓器T組成半橋式DC/DC變換電路。CT為初級電流檢測用的電流互感器。C5為防止變壓器偏磁的隔直電容。變壓器的副邊采用全波整流加上兩級濾波以滿足低輸出紋波的要求。R1，C1，R2，C2，R5，C6和R6，C7為吸收電路。R3和R4起到保證電容C3及C4分壓均勻的作用。電阻R7和R8為輸出電壓的采樣電阻。
3.2 控制電路
圖5
以UC3846為主要元器件組成的半橋式開關(guān)電源的控制電路如圖5所示。圖中，R1及C1構(gòu)成振蕩器，振蕩頻率f=。為了防止主電路中V1和V2同時導(dǎo)通，要設(shè)定開關(guān)管都關(guān)斷的死區(qū)時間。死區(qū)時間由振蕩器的下降沿決定，該電路的死區(qū)時間td=145C1[12/(12－3.6/R1)][4]。R2及C2組成斜坡補償網(wǎng)絡(luò)，以保證控制電路的穩(wěn)定[5]。C5實現(xiàn)軟啟動。由圖3可以看出腳1的電位<0.5V時無脈寬輸出。如圖5所示，腳1經(jīng)電容C5到地，開機后隨著電容的充電，當(dāng)電容電壓高于0.5V時才有脈寬輸出，并隨著電容電壓的升高脈沖逐漸變寬，完成軟啟動功能。對主電路來的反饋電壓，由C3及R5和電壓誤差放大器組成了電壓環(huán)的PI調(diào)節(jié)器。另外，系統(tǒng)還有較完善的保護(hù)電路。
當(dāng)系統(tǒng)輸入電壓過壓或者欠壓時（過/欠壓判斷電路略），可使圖5中的過/欠壓輸入端為低電平，光耦OP1輸出高電平，因此，就會通過加速電容C6和二極管D6對UC3846的腳16施加正脈沖，從而使圖3所示的UC3846芯片內(nèi)部晶閘管導(dǎo)通，通過內(nèi)部電路使腳1電平被拉至接近地電平，電路進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)，UC3846芯片輸出脈沖封鎖。另外，光耦OP1輸出的高電平使三極管Q407飽和導(dǎo)通接地。由于電容C6的加速作用，三極管Q407比前述晶閘管導(dǎo)通稍微遲后。由于三極管的導(dǎo)通壓降小于晶閘管的導(dǎo)通壓降，晶閘管不能維持導(dǎo)通即晶閘管恢復(fù)關(guān)斷。當(dāng)過/欠壓故障消除后，三極管Q407截止，系統(tǒng)重新輸出脈沖。
圖6
當(dāng)過流或者過載時，比較器LM393輸出低電平，光耦OP2輸出高電平，通過D7加在腳16，同樣會封鎖脈沖輸出。由于晶閘管維持導(dǎo)通，所以系統(tǒng)當(dāng)不過流不過載時，必須重新啟動才能有脈沖輸出。
3.3 驅(qū)動電路
IGBT是一種電壓控制型器件，與電流控制型器件（如GTR）比較,IGBT具有驅(qū)動功率小、開關(guān)速度快的特點，因此，近年來IGBT在變流技術(shù)中的應(yīng)用得到了迅猛發(fā)展。IGBT有專用的驅(qū)動芯片，如富士公司的EXB851及EXB841，三菱公司的M57959L等，這些驅(qū)動電路具有開關(guān)頻率高、驅(qū)動功率大、過流保護(hù)等優(yōu)點，但都必須加額外的驅(qū)動電源，并且價格高，使設(shè)備成本大大提高。而脈沖變壓器具有體積小、價格便宜、不需要額外的驅(qū)動電源，因而得到廣泛的應(yīng)用。
但直接驅(qū)動時，由于其脈沖前沿與后沿不夠陡，使得IGBT開通和關(guān)斷速度受到一定的影響。
圖6所示的IGBT驅(qū)動電路具有開關(guān)頻率高、驅(qū)動功率大、結(jié)構(gòu)簡單、負(fù)壓關(guān)斷、價格便宜等優(yōu)點。
IGBT容量較小時，UC3846的腳11和腳14可以直接驅(qū)動脈沖變壓器。IGBT容量較大時，UC3846的驅(qū)動能力不夠，V11～V14，D11～D14構(gòu)成了脈沖變壓器的驅(qū)動電路。D9及D10的作用主要是幫助V11～V14的關(guān)斷，若沒有D9及D10時，當(dāng)PWM1為高電平，PWM2為低電平時，V11和V14導(dǎo)通，隨后PWM1和PWM2均為低電平，脈沖變壓器漏抗中儲存的能量經(jīng)D12和V14續(xù)流，A點電位降至－0.7V，即使PWM1為低電平，V11又導(dǎo)通，最終燒毀V11，加上D10的目的就是讓電路中D12和V14在續(xù)流時將A點電位鉗制在0V，從而有利于V11或V13的關(guān)斷；同理，D9的作用是有利于V12或V14的關(guān)斷。
4 實驗與結(jié)論
按照以上設(shè)計思路研制出一臺工程樣機。在輸入直流電壓為250V，負(fù)載電流為50A時，測得IGBT驅(qū)動電壓波形和高頻變壓器原邊電壓波形如圖7所示。該變換器具有輸入過、欠壓，輸出過流保護(hù)等功能，輸出電壓的電源調(diào)整率≤1％，負(fù)載調(diào)整率≤1％，輸出電壓紋波<50mV，滿足了設(shè)計要求。
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