基于UC3875的移相式PWM直流電源設(shè)計(jì)

陳明理 畢睿華 陳 昊 隆賢林 程桂林

（1.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司南京供電分公司，江蘇南京210000；2.南京工程學(xué)院電力工程學(xué)院，江蘇南京211167；3.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司，江蘇南京210024）

0 引言

隨著電子、通信等技術(shù)的不斷進(jìn)步，對(duì)電源的各方面性能要求也越加嚴(yán)格。因此，高效逆變電源不斷朝著輕、小、薄、高效率方向發(fā)展，并被廣泛應(yīng)用于家用電器、計(jì)算機(jī)、通信和自動(dòng)控制等設(shè)備中。將諧振變換器與PWM技術(shù)結(jié)合起來構(gòu)成軟開關(guān)PWM控制方案，既能實(shí)現(xiàn)功率開關(guān)的軟開關(guān)特點(diǎn)，又能實(shí)現(xiàn)恒頻控制，是當(dāng)今電力電子技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一[1]。全橋移相控制軟開關(guān)PWM變換器是直流電源實(shí)現(xiàn)高頻化的理想拓?fù)渲?，用軟開關(guān)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的DC-DC變換器其效率可達(dá)90%以上。本文針對(duì)UC3875芯片組成的移相全控橋電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。

1 移相式直流電源的原理分析

如圖1所示，輸入直流電壓Udc，選擇的功率開關(guān)器件N溝道MOSFET分別為VT1、VT2、VT3、VT4，VDl、VD2、VD3、VD4為反饋二極管，輸出電容為C1、C2、C3、C4，漏電感為L(zhǎng)r，負(fù)載兩端的電壓由變壓器二次側(cè)電壓通過帶阻感負(fù)載的橋式整流電路來提供。實(shí)現(xiàn)零電壓開通（ZVS）條件工作原理[2]：正常情況下，該器件啟動(dòng)時(shí)，開關(guān)管兩端承受很大的電壓，不利于導(dǎo)通；并聯(lián)電容后，變壓器漏感Lr與電容發(fā)生串聯(lián)諧振，相當(dāng)于一根導(dǎo)線，漏感儲(chǔ)能，電容釋放能量，這樣可以讓開關(guān)管承受的電壓降為零，有利于其安全導(dǎo)通。

圖1 移相控制全橋ZVS-PWM變換器主電路原理圖

在移相全橋ZVS-PWMDC-DC變換器中，因?yàn)椴捎玫拈_關(guān)器件是VT1～VT4，并聯(lián)電容為C1～C4，反饋二極管為VD1～VD4，所以在一個(gè)周期過程中，有12種不一樣的工作流程，且該變換器的工作狀態(tài)在12種工作過程中完全不相同。

這12種工作過程[3]分別為：

（1）功率輸出過程：正半周功率輸出、負(fù)半周功率輸出；

（2）鉗位續(xù)流過程：正半周鉗位續(xù)流、負(fù)半周鉗位續(xù)流；

（3）串聯(lián)諧振過程：超前臂器件工作時(shí)的諧振，滯后臂器件工作時(shí)的諧振；

（4）換流過程：超前臂器件工作時(shí)的換流，滯后臂器件工作時(shí)的換流；

（5）反饋過程：一次側(cè)電感儲(chǔ)能并向電網(wǎng)反饋；

（6）急變過程：變壓器一次側(cè)電流在過零結(jié)束時(shí)的上沖、下沖；

（7）二次側(cè)整流輸出電流受一次側(cè)的影響變化過程；

（8）在二次側(cè)的輸出電壓占空比缺失過程。

從理論上來講，正負(fù)半周的輸出波形應(yīng)當(dāng)是對(duì)稱的，所以只需要分析一個(gè)周期中正半周的工作過程，就可推導(dǎo)出負(fù)半周的工作過程。其工作波形圖以及工作過程如圖2、圖3所示。

圖2 主變壓器原邊電壓、原邊電流、副邊電壓波形（一個(gè)完整工作周期）

如圖3（a）所示，t0—t1時(shí)間內(nèi)為正半周功率輸出過程：電能轉(zhuǎn)化為電感儲(chǔ)存的磁能，并向負(fù)載供電。

如圖3（b）所示，t1—t2時(shí)間內(nèi)為超前臂諧振過程：利用并聯(lián)電容與等效電感發(fā)生串聯(lián)諧振，在t2時(shí)刻VT1兩端電壓降為零，從而實(shí)現(xiàn)零電壓關(guān)斷。

如圖3（c）所示，t2—t3時(shí)間內(nèi)為正半周原邊電流的鉗位續(xù)流過程：續(xù)流電流通過鉗位二極管流通，從而實(shí)現(xiàn)其零電壓導(dǎo)通（ZVS）。

如圖3（d）所示，t3—t4時(shí)間內(nèi)為滯后臂諧振過程：換相過程中全橋整流電路恢復(fù)正常工作，對(duì)負(fù)載供電。

如圖3（e）所示，t4—t5時(shí)間內(nèi)為電感儲(chǔ)能返回電網(wǎng)過程：并聯(lián)電容與Lr發(fā)生串聯(lián)諧振，將VT3兩端的電壓鉗位在零電平，從而為實(shí)現(xiàn)功率開關(guān)管VT3的零電壓開通創(chuàng)造了有利條件。

圖3 電路各時(shí)段工作模態(tài)等效電路

如圖3（f）所示，t5—t6時(shí)間內(nèi)為原邊電流負(fù)向增大過程：VT2、VT3保持導(dǎo)通狀態(tài)，使得反并聯(lián)二極管反向電壓而自然關(guān)斷；同時(shí)為負(fù)半周功率輸出過程形成有利條件[4]。

在軟開關(guān)電路中，應(yīng)當(dāng)盡量避免將死區(qū)時(shí)間設(shè)置過大。因?yàn)樗绤^(qū)時(shí)間越大，開關(guān)管兩端承受的電壓越高，將大大增加開通損耗，影響功率的輸出。

2 基于UC3875的主控制回路設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的零電壓開通（ZVS）和零電流關(guān)斷（ZCS），采用UC3875為其設(shè)計(jì)了PWM移相控制電路。UC3875芯片是移相式準(zhǔn)

諧振變換器控制集成電路，具有多種控制技術(shù)，如恒頻脈寬調(diào)制技術(shù)、諧振和零電壓開關(guān)技術(shù)等，可實(shí)現(xiàn)半橋功率級(jí)的恒頻PWM控制。

用UC3875設(shè)計(jì)的控制電路如圖4所示。圖中，R302和C302設(shè)置開關(guān)頻率，R301和C301設(shè)置OUTA和OUTB的死區(qū)時(shí)間，R303和C304設(shè)置OUTC和OUTD的死區(qū)時(shí)間。R304和C303設(shè)置鋸齒波的斜率和幅值，C305設(shè)置軟啟動(dòng)時(shí)間[5]。

（1）頻率設(shè)置。將變換器的開關(guān)頻率設(shè)置為25kHz，則振蕩器的頻率為50kHz，所以由：

圖4 UC3875外圍控制電路結(jié)構(gòu)圖

選擇C302的大小為222pF，則可得到R302=360kΩ，實(shí)際取值390kΩ。

（2）死區(qū)時(shí)間設(shè)置。將該變換器的死區(qū)時(shí)間設(shè)置為1μs，死區(qū)時(shí)間由死區(qū)電阻決定。由UC3875芯片資料可知：

則延遲設(shè)置電阻：

綜合考慮，選取R301和R303為37kΩ。

3 仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)課題給出的系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行主電路相關(guān)參數(shù)的計(jì)算。在計(jì)算出主要參數(shù)的基礎(chǔ)上，基于Matlab/Simulink軟件搭建仿真模型進(jìn)行系統(tǒng)的仿真，同時(shí)為硬件電路的設(shè)計(jì)做好準(zhǔn)備。

3.1 仿真電路結(jié)構(gòu)模型

系統(tǒng)仿真模型如圖5所示，模型主要參數(shù)如下：交流電源單相電壓幅值分別為311V，初始相位分別為0°、120°和-120°，頻率為50Hz；三線圈三相轉(zhuǎn)換器：額定功率為1kW，頻率為50Hz，原副邊均采用星型接法，原、副邊電壓為380V、50V；高頻變壓器：額定功率為1kW，頻率為50Hz，繞組1電壓400V，繞組2電壓200V，繞組3電壓200V。

圖5 電路的仿真原理圖

如圖5所示，三相電壓經(jīng)過三相變壓器，通過三相不可控橋式整流電路，將三相電壓變換為脈動(dòng)直流電壓。在圖中，電路負(fù)載兩端的電壓值與高頻變壓器兩端的電壓值進(jìn)行比較，比較輸出作為MOSFET管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，以構(gòu)成閉環(huán)反饋[6]。在實(shí)際電路中，可以使用電位器來調(diào)節(jié)改變電壓值，實(shí)現(xiàn)連續(xù)調(diào)節(jié)輸出電壓。由圖6可知，上半部分（即Vabinverter）是變壓器的原邊輸入信號(hào)波形圖，下半部分（即Vab_load）是負(fù)載兩端的輸出波形圖。從仿真曲線可見，逆變電路的輸出電壓（高頻變壓器即線性變壓器的輸入電壓）波形為方波，幅值大小為100V，負(fù)載兩端的電壓波形為直流波形，大小由0升到45V，最后穩(wěn)定于45V，這正是逆變到整流的轉(zhuǎn)換。

圖6 仿真波形圖

3.2 硬件電路設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)

設(shè)計(jì)要求：三相交流220V輸入，直流32V輸出，電流0～5A，精度5%以內(nèi)。

移相式PWM直流電源的工作過程為：直流電壓經(jīng)過逆變器變?yōu)楹C波較多的交流電，并通過主隔離變壓器將兩部分隔離開來，防止干擾。二次側(cè)電壓經(jīng)過全波整流電路（由VD5和VD6組成）變換為直流電，再經(jīng)過LC濾波電路，去除高次諧波，形成穩(wěn)定的直流電并給負(fù)載LR（阻感性負(fù)載）供電。在一個(gè)完整的開關(guān)周期內(nèi)，4個(gè)功率開關(guān)管的占空比小于50%，并且按照順序?qū)ā㈥P(guān)斷。具體實(shí)驗(yàn)操作實(shí)物圖如圖7所示，主電路相關(guān)元器件參數(shù)如表1所示。

圖7 硬件實(shí)物圖

表1 主電路相關(guān)元器件參數(shù)

如圖8所示，B輸出信號(hào)與A輸出信號(hào)反相，D輸出信號(hào)與C輸出信號(hào)反相，A、C輸出信號(hào)移相相同，B、D輸出信號(hào)移相相同，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖8UC3875的OUTA/B/C/D的輸出波形

圖9（a）為高頻變壓器的輸入端波形，變壓器的變比是3/4，輸入電壓為90V左右；圖9（b）是負(fù)載兩端的波形，即輸出電壓為32V。因此，在通入220V交流電后，經(jīng)過該逆變電源，最終得到直流電源為32V。

圖9 變壓器輸入端和負(fù)載的輸出波形

4 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合當(dāng)前逆變電源的發(fā)展現(xiàn)狀，根據(jù)性能指標(biāo)設(shè)計(jì)了DC/DC逆變電源，并針對(duì)逆變電源中的一些問題進(jìn)行了詳細(xì)研究，最后利用仿真對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了驗(yàn)證。

對(duì)逆變電源的控制電路進(jìn)行了理論分析和參數(shù)設(shè)計(jì)，采用UC3875控制芯片為核心組成控制電路，實(shí)現(xiàn)了逆變電源的閉環(huán)控制[7]。在軟件仿真研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行硬件電路設(shè)計(jì)。經(jīng)驗(yàn)證，如上述實(shí)驗(yàn)波形圖所示，移相全橋ZVS-PWM變換器基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

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