基于UC3846的大功率DC/DC變換器的研究

基于UC3846的大功率DC/DC變換器的研究

摘要：介紹并比較了電壓控制型和電流控制型DC/DC變換器的基本原理，設(shè)計(jì)出了基于電流控制型PWM控制芯片UC3846的大功率DC/DC變換器的實(shí)用電路，提出了兩種UC3846輸出脈沖封鎖方式，設(shè)計(jì)出一種新穎的IGBT驅(qū)動(dòng)電路，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明,該電路具有較好的控制特性和穩(wěn)定性。

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(dòng)

0??? 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(duì)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的要求也越來(lái)越高。某系統(tǒng)對(duì)大功率開(kāi)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(kāi)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(duì)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(lèi)也非常多，主要分為電流控制型與電壓控制型兩大類(lèi)。電壓控制型只對(duì)輸出電壓采樣，作為反饋信號(hào)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(gè)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。

??? 根據(jù)對(duì)各種拓?fù)浜涂刂品绞降募夹g(shù)成熟程度，工程化實(shí)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

??? 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V_f與參考電壓V_r進(jìn)行比較放大，得到誤差信號(hào)V_e，它與鋸齒波信號(hào)比較后，PWM比較器輸出PWM控制信號(hào)，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)開(kāi)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V_r，即可改變輸出電壓V_o。

圖1??? 電壓控制型的原理圖

??? 圖2為電流控制型變換器的原理框圖。恒頻時(shí)鐘脈沖置位R－S鎖存器，輸出高電平，開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通，變壓器原邊的電流線(xiàn)性增大，當(dāng)電流在采樣電阻R_s上的壓降Vs達(dá)到V_e時(shí)，PWM比較器翻轉(zhuǎn)，輸出高電平，鎖存器復(fù)位，驅(qū)動(dòng)信號(hào)變低，開(kāi)關(guān)管關(guān)斷，直到下一個(gè)時(shí)鐘脈沖使R－S鎖存器置位。電路就是這樣逐個(gè)地檢測(cè)和調(diào)節(jié)電流脈沖的。

圖2??? 電流控制型的原理圖

??? 當(dāng)電源輸入電壓和/或負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，兩種控制類(lèi)型的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度是不同的。如果電壓升高，則開(kāi)關(guān)管的電流增長(zhǎng)速度變快。對(duì)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(dòng)作，開(kāi)關(guān)管關(guān)斷，保證了輸出電壓的穩(wěn)定。對(duì)電壓控制型而言，檢測(cè)電路對(duì)電流的變化沒(méi)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(gè)周期后才能表現(xiàn)出來(lái)，顯然動(dòng)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(shí)現(xiàn)逐個(gè)脈沖控制和多電源的并聯(lián)運(yùn)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(shí)也要注意以下問(wèn)題：

??? ——占空比大于50％時(shí)，控制電路不穩(wěn)定，這時(shí)須加斜坡補(bǔ)償；

??? ——控制調(diào)節(jié)電路是基于從電感電流取得的信號(hào)，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(jiǎn)介

??? 本系統(tǒng)采用了UC3846作為開(kāi)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。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(cè)放大器的反相輸入端；腳4為電流檢測(cè)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(bǔ)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(guò)一個(gè)放大倍數(shù)為3的電流測(cè)定放大器（其輸入電壓必須<1.2V）來(lái)獲得電感電流或開(kāi)關(guān)電流信號(hào)，其輸出接PWM比較器的同相端。當(dāng)取樣放大器輸入信號(hào)>1.2V時(shí)，電流型控制器將延時(shí)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(hào)，同時(shí)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(gè)脈沖限流的目的。當(dāng)差動(dòng)電流檢測(cè)放大器檢測(cè)的是開(kāi)關(guān)電流而不是電感電流時(shí)，由于開(kāi)關(guān)管寄生電容放電，檢測(cè)電流會(huì)有一個(gè)較大的尖峰前沿，可能使電流檢測(cè)鎖存和PWM電路誤動(dòng)作，所以，應(yīng)在電流檢測(cè)輸入端加RC濾波。

圖3??? UC3846的內(nèi)部結(jié)構(gòu)方框圖

??? UC3846具有快速保護(hù)功能，它與電流取樣電路延時(shí)關(guān)斷不同。保護(hù)功能腳（腳16）經(jīng)檢測(cè)放大器接晶閘管的門(mén)極，當(dāng)電路發(fā)生異常出現(xiàn)過(guò)流，使腳16電位上升到0.35V，保護(hù)電路動(dòng)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(shí)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)?，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(jí)電流檢測(cè)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(jí)濾波以滿(mǎn)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。

圖4??? DC/DC變換器主電路

3.2??? 控制電路

??? 以UC3846為主要元器件組成的半橋式開(kāi)關(guān)電源的控制電路如圖5所示。

圖5??? 控制電路????

??? 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(shí)導(dǎo)通，要設(shè)定開(kāi)關(guān)管都關(guān)斷的死區(qū)時(shí)間。死區(qū)時(shí)間由振蕩器的下降沿決定，該電路的死區(qū)時(shí)間t_d=145C₁[12/(12－3.6/R₁)]。R₂及C₂組成斜坡補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，以保證控制電路的穩(wěn)定。C₅實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)。由圖3可以看出腳1的電位<0.5V時(shí)無(wú)脈寬輸出。如圖5所示，腳1經(jīng)電容C₅到地，開(kāi)機(jī)后隨著電容的充電，當(dāng)電容電壓高于0.5V時(shí)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(dòng)功能。對(duì)主電路來(lái)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(guò)壓或者欠壓時(shí)（過(guò)/欠壓判斷電路略），可使圖5中的過(guò)/欠壓輸入端為低電平，光耦OP₁輸出高電平，因此，就會(huì)通過(guò)加速電容C₆和二極管D₆對(duì)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(guò)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(guò)/欠壓故障消除后，三極管Q407截止，系統(tǒng)重新輸出脈沖。

??? 當(dāng)過(guò)流或者過(guò)載時(shí)，比較器LM393輸出低電平，光耦OP₂輸出高電平，通過(guò)D₇加在腳16，同樣會(huì)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(guò)流不過(guò)載時(shí)，必須重新啟動(dòng)才能有脈沖輸出。

3.3??? 驅(qū)動(dòng)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(dòng)功率小、開(kāi)關(guān)速度快的特點(diǎn)，因此，近年來(lái)IGBT在變流技術(shù)中的應(yīng)用得到了迅猛發(fā)展。IGBT有專(zhuān)用的驅(qū)動(dòng)芯片，如富士公司的EXB851及EXB841，三菱公司的M57959L等，這些驅(qū)動(dòng)電路具有開(kāi)關(guān)頻率高、驅(qū)動(dòng)功率大、過(guò)流保護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，但都必須加額外的驅(qū)動(dòng)電源，并且價(jià)格高，使設(shè)備成本大大提高。而脈沖變壓器具有體積小、價(jià)格便宜、不需要額外的驅(qū)動(dòng)電源，因而得到廣泛的應(yīng)用。

??? 但直接驅(qū)動(dòng)時(shí)，由于其脈沖前沿與后沿不夠陡，使得IGBT開(kāi)通和關(guān)斷速度受到一定的影響。圖6所示的IGBT驅(qū)動(dòng)電路具有開(kāi)關(guān)頻率高、驅(qū)動(dòng)功率大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、負(fù)壓關(guān)斷、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。IGBT容量較小時(shí)，UC3846的腳11和腳14可以直接驅(qū)動(dòng)脈沖變壓器。IGBT容量較大時(shí)，UC3846的驅(qū)動(dòng)能力不夠，V₁₁～V₁₄，D₁₁～D₁₄構(gòu)成了脈沖變壓器的驅(qū)動(dòng)電路。D₉及D₁₀的作用主要是幫助V₁₁～V₁₄的關(guān)斷，若沒(méi)有D₉及D₁₀時(shí)，當(dāng)PWM₁為高電平，PWM₂為低電平時(shí)，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(chǔ)存的能量經(jīng)D₁₂和V₁₄續(xù)流，A點(diǎn)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(shí)將A點(diǎn)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。

圖6IGBT驅(qū)動(dòng)電路

4??? 實(shí)驗(yàn)與結(jié)論

??? 按照以上設(shè)計(jì)思路研制出一臺(tái)工程樣機(jī)。在輸入直流電壓為250V，負(fù)載電流為50A時(shí)，測(cè)得IGBT驅(qū)動(dòng)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(guò)、欠壓，輸出過(guò)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(mǎn)足了設(shè)計(jì)要求。

v:5V/div,t:10 μ s/div??? v:5V/div,t:10 μ s/div

（ a） IGBT驅(qū) 動(dòng) 電 壓 波 形??? （ b） 高 頻 變 壓 器 原 邊 電 壓 波 形

圖 7??? DC/DC變 換 器 實(shí) 驗(yàn) 波 形