基于UC3844的正激DC/DC變換器研究

符海軍，惠　晶

(江南大學　輕工過程先進控制教育部重點實驗室，江蘇　無錫　214122)

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基于UC3844的正激DC/DC變換器研究

符海軍，惠晶

(江南大學輕工過程先進控制教育部重點實驗室，江蘇無錫214122)

摘要：為提高純電動汽車車載DC/DC變換器工作的穩(wěn)定性與安全性，對常規(guī)反饋電路存在的問題進行分析和改進，同時對主電路進行限流、過壓和過溫等安全保護性能的設(shè)計。最后通過實驗證明：改進反饋電路后的變換器輸出電壓更穩(wěn)定，且輸出電壓紋波較小。

關(guān)鍵詞：DC/DC變換器；純電動汽車；雙管正激；電能變換

近年來，純電動汽車的研發(fā)與應(yīng)用獲得迅猛發(fā)展。一般純電動汽車的主要動力與控制電源分別來自72V動力蓄電池與12V控制蓄電池，12V蓄電池專為汽車車載電子設(shè)備——儀表、照明和GPS系統(tǒng)等提供電能，一旦此電瓶或電能變換器出故障，必然造成汽車運行的安全隱患。因此，研究安全、穩(wěn)定、高效可靠的DC/DC變換器對汽車安全運行具有重要意義。國內(nèi)外科研人員對車載DC/DC變換器的拓撲與控制策略不斷創(chuàng)新。顧亦磊介紹一種新穎的雙管正激型DC/DC變換器，克服了RCD復(fù)位單管正激變換器開關(guān)應(yīng)力大和勵磁能量效率不高的缺點；文獻[3-4]分別介紹采用控制以提高變換器動態(tài)響應(yīng)的方法。以上幾種方法雖各有優(yōu)點，但控制算法較復(fù)雜，導致電路設(shè)計難度與裝置成本較高。本文介紹一款采用UC3844做為主控芯片的改進型DC/DC變換器。該變換器不僅可降低成本，且控制方法簡單易行，電源穩(wěn)定可靠，并能實現(xiàn)寬范圍輸入，恒電壓輸出的功能。

1變換器方案與技術(shù)要求

1.1　變換器技術(shù)要求

本文研究的DC/DC變換器主要技術(shù)指標為：輸入電壓54～100V，輸入容量600W，輸出電壓13.8V，電流0～40A，工作頻率50kHz，效率90%以上，紋波小于0.3%。

1.2　變換器解決方案

變換器電路組成如圖1所示。主要由輸入端供電、濾波、高頻DC/DC變換、PWM驅(qū)動、輸入電流檢測與輸出反饋等幾部分組成。

2變換器主電路拓撲

雙管正激變換器常用于功率較大，電源與負載之間需要隔離的DC/DC變換，其典型電路如圖3所示。

其工作原理是T1與T2同時導通，同時關(guān)斷。當T1、T2導通時，電源Vs經(jīng)變壓器向負載輸出功率并使C充電。當T1、T2關(guān)斷時，i經(jīng)D續(xù)流，同時變壓器繞組N1勵磁電流經(jīng)D1—Vs—D2向電源返回磁能。D1、D2導通使開關(guān)管T1、T2承受的電壓僅為電源電壓Vs。這種雙管正激電路比單管正激電路多用一個開關(guān)管，但其電壓低了一倍，同時變壓器少一個磁通復(fù)位繞組。與全橋變換器和半橋變換器相比，其每一個橋臂都是由一個二極管和一個開關(guān)管組成，可避免橋臂直通的問題，可靠性較高[6-7]。

3控制電路設(shè)計

本變換器控制電路如圖4所示，該控制電路主要由UC3844啟動電路、電流電壓反饋電路和驅(qū)動電路等組成。

3.1　UC3844啟動電路

UC3844是一款固定頻率的電流模式高性能PWM控制器。芯片7腳為控制該芯片的正電源，其工作啟動電壓為16V，欠壓鎖定電壓為10V，上限為34V。啟動電壓由動力電池經(jīng)R21、R23分壓后提供。正常工作時，該工作電壓由變壓器5、6端繞組提供，經(jīng)D5、D9整流，及電感電容LC濾波后給芯片7腳。

UC3844正常工作時，芯片8腳輸出一個+5.0V基準參考電壓，作用于定時元件R5、C7上，在4腳產(chǎn)生一個穩(wěn)定的振蕩波形，振蕩頻率計算如下：

(1)

式中，R5為10K；C7為3300pF；可求得頻率約為50kHz。

3.2　電流電壓反饋電路

其中，采樣電流信號Ui為采樣電阻R8、R9采集變壓器的初級測電流，由于開關(guān)管T1、T2導通瞬間會在主電路中產(chǎn)生尖峰電流，為此專門設(shè)計R10、C14組成的濾波器進行抑制，確保采樣電流信號Ui準確。當3腳上的電壓高于1V時，電流限幅電路開始工作，UC3844的輸出脈沖中斷。

3.3　驅(qū)動電路

雙管正激電路要求上下開關(guān)管同時開通關(guān)斷。本變換器采用IR2110S實現(xiàn)上下MOS管隔離同步驅(qū)動。IR2110S具有獨立的低端與高端輸入通道，開通關(guān)斷延遲小，同步性好，確保電路可靠開通與關(guān)斷；此外高端自舉電源的設(shè)計，可大大減少驅(qū)動電源的數(shù)目，用此芯片還可簡化驅(qū)動電路。

4反饋與采樣電路設(shè)計與分析

4.1　常規(guī)電壓反饋電路原理與特點

電壓反饋電路如圖5所示。

常規(guī)電壓反饋電路穩(wěn)壓原理：輸出電壓Vout利用穩(wěn)壓管TL431參考電壓Vref(2.5V)來維持電壓穩(wěn)定，計算如下式：

(2)

輸出電壓Vout經(jīng)光耦PC817隔離控制UC3844芯片的1腳電壓Vcomp。當Vout>13.8V時，穩(wěn)壓管擊穿，光耦PC817導通，則Vcomp電壓降低；當Vout<13.8V時，光耦PC817不導通，則Vcomp電壓升高。

通過實驗，可以觀察TL431穩(wěn)壓管電壓Vk隨輸出電壓Vout而變化，如圖6所示。

由圖6可知，當輸出電壓Vout<13.8V時，穩(wěn)壓管Vk隨著輸出電壓的升高而線性升高；當輸出電壓Vout一旦大于13.8V，穩(wěn)壓管Vk立即下降到2.5V。穩(wěn)壓管Vk電壓的突然變化使光耦輸入側(cè)電流急劇變化，光耦輸出側(cè)電壓Vcomp快速變化，從而導致芯片UC3844輸出PWM不穩(wěn)，嚴重時會使整個系統(tǒng)失穩(wěn)，故采用這種反饋方式系統(tǒng)存在不穩(wěn)定隱患。

4.2　電路穩(wěn)定性分析與解決方法

針對常規(guī)反饋電路存在的不穩(wěn)定問題，本變換器通過光耦輸入側(cè)串入電阻R12和C12，來提高電路的穩(wěn)定性，改進后電路如圖5(b)所示。

根據(jù)常規(guī)電路分析可知，電路的不穩(wěn)定性主要是由于TL431突然被擊穿而光耦輸入側(cè)電流急劇變化引起。在輸入側(cè)加入R12后，隨著Vout電壓升高，R12兩端電壓也升高，滿足PC817輸入側(cè)電壓，則有正向電流輸出，所以Vk的電壓幅度不會影響光耦輸入側(cè)電流。加入R12會使光耦輸入側(cè)電流變緩，輸出側(cè)電壓也變緩，且C12和R12可提供TL431所需回路補償，更有利于提高反饋網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。

5電源性能測試與分析

經(jīng)實驗驗證，變換器穩(wěn)態(tài)特性滿足輸入電壓54～100V，電流0～40A，變換條件下，輸出電壓恒定13.8V。方案的設(shè)計指標與動態(tài)特性同時滿足要求。

5.1　輸出電壓波形

由圖7可知，相比于常規(guī)反饋電路輸出電壓波動大，改進反饋電路后的變換器輸出電壓穩(wěn)定，且恒為13.8V。

5.2　輸出紋波數(shù)據(jù)與分析

測試紋波數(shù)據(jù)如圖8所示，常規(guī)反饋電路輸出紋波電壓約為60mV，改進反饋電路后該變換器輸出紋波電壓約為35mV左右。由圖可知電源在開關(guān)管導通與截止時帶有一定頻率的毛刺，而毛刺電壓約為50mV左右，產(chǎn)生這些毛刺的原因是MOSFET導通與截止時產(chǎn)生高頻振蕩。為消除這些毛刺，通常有兩種方法：一是IR2110S驅(qū)動腳到MOSFET柵極的走線要足夠短；二是在MOSFET管上增加一個吸收電路和鉗位電路。

6結(jié)論

改進了一種基于UC3844的DC/DC正激變換器。該變換器工作穩(wěn)定，可靠性高，現(xiàn)場使用效果較好，通過一系列對比實驗驗證了該變換器的有效性。實驗結(jié)果表明，改進電壓反饋電路后的變換器輸出電壓穩(wěn)定，且輸出紋波較小。

參考文獻：

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(責任編輯王利君)

Researchontwo-transistorforwardDC/DCconverterbasedonUC3844

FUHai-jun,HUIJing

(KeyLaboratoryofAdvancedProcessControlforLightIndustry,MinistryofEducation,

JiangnanUniversity,JiangsuWuxi214122,China)

Abstract：Inordertoimprovethestabilityandsafetyofconverter,theproblemexistinginconventionalfeedbackcircuitisanalyzedandsettled,andthedesignofsecurityprotectionperformanceofcurrentlimit,overvoltageandtemperaturehasbeenaddedinmaincircuit.Theexperimentprovesthattheoutputvoltageofconveterwithimprovedfeedbackcircuitismorestableandtheoutputvoltagerippleissmaller.

Keywords：DC/DCconverter；electriccars；two-transistorforward；conversionofelectricalenergy

中圖分類號：TM46

文獻標識碼：A

文章編號：1673-9469(2015)04-0104-04doi:10.3969/j.issn.1673-9469.2015.04.022

作者簡介：符海軍(1990-)，男，江蘇江陰人，碩士，研究方向為電力電子與電力傳動。

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51407084)

收稿日期：2015-09-07