基于UCC3895的移相全橋變換器的設計

基于UCC3895的移相全橋變換器的設計

針對新型的移相PWM控制器UCC3895,介紹了其基本的功能及與UC3875(79)系列的控制器相比所具有的特點。并將該控制器應用于20kHz／500W移相全橋電源,進行了開環和閉環的系統實驗,實驗結果表明所進行的設計是合理的,UCC,3895有較強的實用價值。

??? 關鍵詞：移相全橋變換器;UCCt895;設計

??? 引言

??? 移相全橋(Full-Bridge,FB)PWM變換器是一種應用廣泛,適用于較大功率、低電壓等場合的變換器。該變換器采用PWM移相控制,在不附加其他額外元器件,電路成本和復雜程度基本不變的情況下,利用變壓器的漏感和功率開關管的結電容進行諧振,使功率管實現零電壓開關(ZVS),從而減小了開關損耗,變換器的效率可大于80％,并且開關電壓應力的減小使得開關頻率可以進一步得到提高,可達到100 kHz～500 kHz,故該變換器適應當今開關電源高頻化、高效化的發展趨勢,有廣闊的應用前景。

??? 實現全橋變換器的移相PWM控制的方法很多,比如：采用分立器件進行邏輯組合,采用專用的集成控制芯片,采用DSP或CPLD數字實現等。第一種方法較為復雜,不利于工業應用,第三種方法的成本相對較高;而采用專用的集成控制器是電源開發設計者們較多采用的方法。當今應用較多的移相全橋集成控制芯片主要是UC3879和UC3875／6／7／8系列。UC3879作為UC3875的改進型,其工作原理和基本結構是相同的,但在一些功能上進行了改進。UCC3895是TI 公司生產的又一種高性能PWM移相型控制器。它是UC3879的改進型,除了具有UC38779的功能外,最大的改進是增加了自適應死區設置,以適應負載變化時不同的準諧振軟開關要求。新增加了PWM軟關斷能力。同時由于它采用了BCDMOS工藝,使得它的功耗更小,工作頻率更高,因而更加符合電力電子裝置高效率、高頻率、高可靠的發展要求。

??? 本文首先介紹了UCC3895的電氣特性、管腳的基本功能及電壓型控制或峰值電流控制的實現。然后應用UCC3895設計了220 V輸入、24 V輸出、開關頻率20kHz、功率500W的移相全橋電源,并給出了開環和閉環實驗的主要波形。

??? 1 UCC3895應用特性

??? UCC3895有以下特性：可編程輸出開通延時和自適應延時設置;既可用于電流模式,又可用于電壓模式;可實現輸出脈沖占空比從0％～100％相移控制;內置7 MHz帶寬的誤差比較放大器,最高工作頻率1 MHz等。它的內部結構框圖如圖1所示。

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??? 腳ADS是該控制芯片新增的控制管腳,其功能是設置所設定輸出延時死區最大值與最小值之間的比。

??? 當腳ADS與電流傳感腳CS直接相連時,延時死區時間最小;當腳ADS直接接地時,延時死區時間最大。

??? 腳ADS可通過式(1)所列關系改變腳DELAB和腳DELCD上的電壓,從而改變輸出延時。

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??? 式中：VDEL為腳DELAB和DELCD上的電壓;
??? VCS為腳CS上取樣電流的電壓;
??? VADS為腳ADS上所施加的設定電壓。

??? 腳CS為電流檢測比較器的反相輸入端。當電路工作在峰值電流模式下時,該引腳信號可實現逐個周期的電流限制功能,同時在任何情況下當電路過流時,芯片立刻封鎖輸出進入軟啟動周期實現有效的保護功能。

??? 腳RAMP、當UCC3895工作于電壓或平均電流控制模式下,該腳接振蕩器輸出腳CT時,該引腳接電流信號腳CS時,則UCC3895工作在峰值電流模式下。

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??? 同步振蕩器的工作頻率由定時電容CT和定時電阻RT決定。振蕩周期可由式(2)近似得到

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??? 同一橋臂上的兩個管子的死區延時時間可由式(3)確定,
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??? 式中：RDEL為腳DELAB與地間所接的電阻。

??? UCC3895與UC3875、UC3879等傳統的移相控制芯片的參數比較如表l所列。

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??? 從表1可看出UCC3895的功耗明顯減小,相應速度最快,但是驅動能力相對UC3875而言較小,所以在實際應用中還要根據情況合理選擇芯片。

??? 2 主電路與控制電路參數設計

??? 本文所設計的電源系統結構簡圖如圖2所示。

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??? 主電路中變壓器的設計是影響電路性能的關鍵。根據參考文獻[4],選用面積乘積法來設計高頻變壓器。設變壓器的輸出功率為Po,變壓器的效率為η,填充系數為Ku,導線的電流密度為J,一個高頻周期內開關導通的時間為tom,變壓器變化的磁密為△B,則可以得到下面的計算公式。

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??? 又因為高頻變壓器為雙向激磁,所以△B=2 BmBm為磁芯最大的工作磁密;設開關頻率為f 及占空比為D,則有ton=0．5D／fo將上述關系帶入到式(4)中可得

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??? 選取參數：Po=500W;f=20kHz;對于R2KB材質的鐵氧體磁芯可選擇最大工作磁感應強度Bm=1700Gs;填充系數Ku=O．3;導線電流密度J=3A／mm2;變壓器的變換效率η=0 98。可得AcAw=4.614 cm4,通過查閱變壓器磁芯手冊可知選用EE80磁芯。

??? 變壓器原邊匝數計算公式為

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??? 式中：Vimax為輸入電壓的最大值。

??? 變壓器副邊匝數的計算公式為???

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??? 式中：Vimin為輸入電壓的最小值;
??? Vomax為輸出電壓的最大值。
??? 將參數代入計算并取整后呵得原副邊匝數為：N1=114匝,N2=14匝。
??? 主電路中其他主要參數為
??? 開關器件選用MOSFET IXTH25N60;
??? 并聯電容選用 l000 pF／630V;
??? 諧振電感30 μH。

??? 系統采用PI控制的電壓閉環,通過對移相全橋變換器數學模型的分析,并通過PSPICE14．O的仿真研究,最后確定調節器的傳遞函數為：???

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