0 引言
近年來,隨著電子技術(shù)的發(fā)展,郵電通信、交通設(shè)施、儀器儀表、工業(yè)設(shè)施、家用電器等越來越多地應(yīng)用開關(guān)電源,隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步,對大功率電源的需求也就越來越大。與此同時大量集成電路、超大規(guī)模集成電路等電子通信設(shè)備日益增多,要求電源的發(fā)展趨勢是小型化、輕量化。通常濾波電感、電容和變壓器的體積和重量比較大,因此主要是靠減少它們的體積來實現(xiàn)小型化、輕量化。
我們可以通過減少變壓器的繞組匝數(shù)和金減小鐵心尺寸來提高工作頻率,但在提高開關(guān)頻率的同時,開關(guān)損耗會隨之增加,電路效率會嚴(yán)重下降。針對這些問題出現(xiàn)了軟開關(guān)技術(shù),它利用以諧振為主的輔助換流手段,解決了電路中的開關(guān)損耗和開關(guān)噪聲問題,使開關(guān)電源能高頻高效地運行,從20世紀(jì)70年代以來國內(nèi)外就開始不斷研究高頻軟開關(guān)技術(shù),目前已比較成熟,下面以2KW的電源為例進(jìn)行設(shè)計。
1.設(shè)計內(nèi)容和方法
1.1主電路型式的選擇
變換電路的型式主要根據(jù)負(fù)載要求和給定電源電壓等技術(shù)條件進(jìn)行選擇。在幾種常用的變換電路中,因為半橋、全橋變換電路功率開關(guān)管承受的電壓比推挽變換電路低一倍,由于市電電壓較高,所以不選推挽變換電路。半橋變換電路與全橋變換電路在輸出同樣功率時,半橋變換電路的功率開關(guān)管承受二倍的工作電流,不易選管,輸出功率較全橋小,所以采用全橋變換電路。
傳統(tǒng)的全橋變換電路開關(guān)元件在電壓很高或電流很大的條件下,在門極的控制下開通或關(guān)斷,開關(guān)過程中電壓、電流均不為零,出現(xiàn)重疊,導(dǎo)致了開關(guān)損耗。開關(guān)損耗隨開關(guān)頻率增加而急劇上升,使電路效率下降,阻礙了開關(guān)頻率的提高。在移相控制技術(shù)的基礎(chǔ)上,利用功率管的輸出電容和輸出變壓器的漏電感作為諧振元件,使全橋變換器四個開關(guān)管依次在零電壓下導(dǎo)通,實現(xiàn)恒頻軟開關(guān)。由于減少了開關(guān)過程損耗,變換效率可達(dá)80%-90%,并且不會發(fā)生開關(guān)應(yīng)力過大。所以選用移相控制全橋型零電壓開關(guān)脈寬調(diào)制(PSC FB ZVS-PWM)變換電路。
移相控制全橋變換電路是目前應(yīng)用最為廣泛的軟開關(guān)電路之一,它的特點是電路簡單,與傳統(tǒng)的硬開關(guān)電路相比,并沒有增加輔助開關(guān)等元件。原理如圖1所示,主要由四個相同的功率管和一個高頻變壓器壓器組成。E為輸入直流電壓, T1~T4 為開關(guān)管, D1~D4 為體內(nèi)二極管,C1 ~C4 為開關(guān)的輸出電容。以第一個橋臂為例介紹,利用變壓器漏感和功率輸出電容C1 諧振,漏感儲能向電容 C1釋放過程中,使電容上的電壓逐步下降到零,體內(nèi)二極管D1開通,創(chuàng)造了T1 的ZVS條件。
圖1 移相控制全橋變換電路原理圖
1.2 控制方式
控制方式是指變換器控制電路通過何種途徑控制主電路實現(xiàn)自動控制目的,達(dá)到自動穩(wěn)壓或穩(wěn)流的要求。傳統(tǒng)的PWM型電子開關(guān)開通和關(guān)斷開關(guān)上同時存在電壓、電流,損耗比較大,零電壓開關(guān)-脈寬調(diào)制變換器(ZVS-PWM)是電子開關(guān)在兩端電壓為零時導(dǎo)通電流為零時關(guān)斷,開通、關(guān)斷損耗理想值為零。在此選用典型的UC3875構(gòu)成的移相控制全橋零電壓開關(guān)-脈寬調(diào)制變換電路。
1.2.1 UC3875控制芯片
UC3875是美國UNITRODE公司針對移相控制方案推出的專用芯片。UC3875可對全橋開關(guān)的相位進(jìn)行相位移動,實現(xiàn)定頻脈寬調(diào)制控制。UC3875其外型有20引腳封裝和28引腳封裝,在此以20引腳為例介紹一下該器件。
1.2.1.1內(nèi)部結(jié)構(gòu)方框圖和管腳功能
內(nèi)部結(jié)構(gòu)方框圖如下圖所示:
圖2 UC3875內(nèi)部結(jié)構(gòu)方框圖
管腳功能如下:1腳(Vref),基準(zhǔn)電壓;2腳(E/A OUT),誤差放大器的反相輸出;3腳(E/A-)誤差放大器的反相輸入;4腳(E/A+)誤差放大器的同相輸入;5腳(C/S+)電流檢測;6腳(SOFRSTART)軟起動;7腳(DELAY SET C/D)輸出延遲控制;8腳(OUT D)輸出D;9腳(OUT C)輸出C;10腳(Vcc )電源電壓;11腳( Vin)芯片供電電源;12腳(PWR GND)電源地;13腳(OUTB)輸出B;14腳(OUTA)輸出A;15腳(DELAY SETA/B)輸出延遲控制;16腳(FREQ SET)頻率設(shè)置端;17腳(CLOCK/SYNC)時鐘/同步;18腳(SLOPE)陡度;19腳(斜波)20腳(信號地)。
1.2.1.2 UC3875的工作
1腳輸出+5V基準(zhǔn)電壓,可作為內(nèi)部或外部電路的其他元件的電源。2腳作為電壓反饋控制端,當(dāng)引輸出信號高到一定值時,由內(nèi)部RS觸發(fā)器及門電路作用使C輸出與A輸出反相,即A、C輸出信號移相180度;同樣,當(dāng)引腳2輸出信號低于1V時,通過內(nèi)部RS觸發(fā)器及門電路作用使C輸出與A輸出同相,即A、C輸出信號移相0度??梢娡ㄟ^控制引腳2端的輸出可以控制A、C間相位在0~180度之間變化。B、D的工作原理與A、C相似。 3腳作為誤差放大器的反相輸入端,通常利用分壓電阻檢測輸出電源電壓。4腳作為誤差放大器的同相輸入端,和1腳基準(zhǔn)電壓相連,檢測3腳的輸出電源電壓。5腳作為電流檢測端,其基準(zhǔn)設(shè)置為內(nèi)部固定2.5V(由分壓),當(dāng)電壓超過2.5V時輸出即被關(guān)斷,軟起動6腳復(fù)位,即可實現(xiàn)過流保護(hù)。7腳和15腳作為輸出延遲控制端,通過設(shè)置該腳對地之間的電流來設(shè)置死區(qū),加在同一橋臂兩管驅(qū)動脈沖之間,以實現(xiàn)零電壓開通時的瞬態(tài)時間。8、9、13、14腳作為輸出端,可驅(qū)動MOSFET和變壓器。10腳作為電源電壓端,為輸出級提供所需電源。11腳作為芯片供電電源,為芯片內(nèi)部數(shù)字、模擬電路部分提供電源,內(nèi)部有欠壓鎖定電路,其開啟閾值為10.75V,關(guān)閉閾值為9.25V。開啟和關(guān)閉之間有1.5V的回差,可有效防止電路在閾值電壓附近工作時的跳動。16腳作為頻率設(shè)置端,需外接電阻和電容來設(shè)置振蕩頻率。17腳作為輸出時,提供時鐘信號;作為輸入,提供同步點。18腳作為陡度端,需外接一個電阻以產(chǎn)生斜波。19腳作為斜波端,需外接電容到地。20腳作為信號地,是所有電壓的參考基準(zhǔn)。
1.2.2控制電路
控制電路的原理圖主要部分如圖3所示。
圖3 控制電路原理圖#p#分頁標(biāo)題#e#
UC3875的核心是相位調(diào)制器, 其13腳B輸出信號與14腳A輸出信號反相, 9腳C輸出信號與8腳D輸出信號反相, 這四個驅(qū)動信號經(jīng)擴(kuò)流后由驅(qū)動變壓器去驅(qū)動 ~ MOS管。相位控制的特點體現(xiàn)在UC3875的四個輸出端具有相同的驅(qū)動脈沖分別驅(qū)動A/B、C/D兩個半橋,通過移相錯位控制有源時間,使全橋的四個開關(guān)輪流導(dǎo)通。每個輸出級導(dǎo)通前都有一個死區(qū),而且可以調(diào)整死區(qū)時間。在該死區(qū)時間內(nèi)確保下一個功率開關(guān)器件的輸出電容放電完畢,為即將導(dǎo)通的開關(guān)器件提供電壓開通條件。因此,每對輸出級(A/B,C/D)的諧振開關(guān)作用時間,可以單獨控制。在全橋變換拓?fù)淠J较?,移相控制的?yōu)點得到最充分的體現(xiàn)。UC3875在電壓模式和電流模式下均可工作,并具有過電流關(guān)斷以實現(xiàn)故障的快速保護(hù)。圖4為移相控制全橋電路的控制波形。
圖4 移相控制全橋電路的控制波形
移相控制全橋電路的控制方式有以下幾個特點:
(1)在同一開關(guān)周期Ts 內(nèi),每一個開關(guān)的導(dǎo)通的時間略小于Ts /2,而關(guān)斷時間都略大于 Ts/2。
(2)同一個半橋中上下兩個開關(guān)不能同時處于通態(tài),每一個開關(guān)關(guān)斷到另一個開關(guān)開通都要經(jīng)過一定的死區(qū)時間。
(3)比較互為對角的兩對開關(guān)T1 、T2 和 T3、T4 開關(guān)函數(shù)波形, T1的波形比T2 超前0~Ts /2時間,而T3 的波形比 T4超前0~ Ts/2時間,因此 T1和T3 稱為超前橋臂,而 T2和 T4稱為滯后橋臂。
2. 結(jié)束語
本文介紹了由UC3875芯片作為控制電路的2KW移相控制全橋變換(PSC FB ZVS-PWM)軟開關(guān)電源,由于開關(guān)管在ZVS條件下運行,可實現(xiàn)高頻化,而且控制簡單,性能可靠,適用于大功率場合。且能保持恒頻運行,就不會同時出現(xiàn)大電壓、大電流,減少了開關(guān)所受的應(yīng)力,實現(xiàn)了高效化。大大減小了電源的體積。
參考文獻(xiàn)
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[2] 王兆安等編著.電力電子技術(shù).機(jī)械工業(yè)出版社,2001年4月
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