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基于UC3875的新型DC/DC变换器研究

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第27卷第4期 2011年8月 黄石理工学院学报 Vo1.27 No.4 Aug. 2011 JOURNAL OF HUANGSHI INST【TUTE OF TECHNOLOGY doi:10.3969/j.issn.1008—8245.2011.04.001 基于UC3875的新型DC/DC变换器研究水 吴鸿霞 刘卫东 ( 黄石理工学院电气与电子信息工程学院,湖北黄石435003; 湖北城市职业学校,湖北黄石435004) 摘 要:围绕带钳位二极管的移相全桥ZVS变换器的工作原理、软开关实现条件、整流桥选用及其寄 生振荡的抑制、电压型单环控制等问题进行了理论分析,设计了一套基于UC3875移相芯片的电压型 单环控制系统,并搭建了实验平台,在实验平台上进行了实验,给出了实验结果。实验结果说明了控 制方案的可行性,验证了电路设计的正确性。 关键词:UC3875;移相控制;零电压开关 中图分类号 ̄TM46 文献标识码:A 文章编号:1008—8245(2011)04—0001—04 Research of New DC/DC Converter Based on UC3 875 WU Hongxia LIU Weidong2 ( School of Electrical and Electronic Information Engineering,Huangshi Institute of Technology, Huangshi Hubei 435003; Hubei City Vocational School,Huangshi Hubei 435004) Abstract:According to the theoretical analysis of the working principles of the phase—-shifted full—-bridge ZVS converter wih clampitng diodes,the realized conditions of soft switches,the selection of the rectifier bridge and its parasitic oscillation suppression and sin ̄e—loop voltage control,a set of single—voltge— aloop control system based on UC3875 phase—shift chip was designed and the experimental plat was built. The obtained experimental results showed the feasibility of the control program and the correctness of the cir- cult desin.g Key words:UC3875;phase control;zero voltage switch 全桥变换电路拓扑是电源技术中最常用的 电路拓扑之一。移相全桥ZVS PWM DC/DC变 整流桥二极管反向恢复产生的寄生振荡等问 题 。为了解决这些问题,在研究了基本的 移相全桥DC/DC变换器缺点的基础上,本文提 出了一种改进型的原边带钳位二极管的移相全 换器,在控制中使其超前桥臂和滞后桥臂的开 关管均在零电压软开关条件下开通和关断,克 服了硬开关条件下运行的缺点,开关损耗小,结 桥ZVS DC/DC变换器,给出了主电路结构,阐 述了变换器的工作原理和参数设定原则,提出 了电压闭环控制方案,设计了一套基于UC3875 移相芯片的电压型单环控制系统,并进行了实 验研究,给出了实验结果,结果表明,本电路有 构简单,提高了整机效率,因此在中大功率DC/ DC变换场合得到了广泛研究和应用_1 J。但 是在使用过程中存在变换器滞后桥臂零电压开 关范围窄、占空比丢失严重、转换效率不高以及 收稿日期:2011—05—06 }基金项目:黄石理工学院校级科学研究重点项目(项目编号:09yjz06A)。 作者简介:吴鸿霞(1967一),女,湖北武汉人,教授,硕士,研究方向:电力电子技术。 2 黄石理工学院学报 2011矩 效解决了占空比丢失等问题。 1 变换器主电路拓扑及工作原理 原边带钳位二极管的移相全桥ZVS DC/DC 变换器拓扑结构电路如图1所示。D 一D 分 别是与Ⅵ’,一vT 一起的封装二极管,C,~C 分别是Vrr】~Ⅵ4的寄生电容,C =C,:C = C =C,都是理想器件。Lr是谐振电感,C 是隔 直电容。超前桥臂为、 和vT,,滞后桥臂为 Ⅵ’ 和、 ,超前桥臂和滞后桥臂的2个开关管 互补导通,超前桥臂和滞后桥臂导通角相差一 个移相角,控制思想是通过调节移相角的大小 来调节输出电压。下面的分析中设各器件均为 理想器件,且 》Lr/n (11,为变压器原副边匝 比),设开关周期为 ,开关管的开通时间为 。电感Lf一个周期内的最大电流为,2一, 最小电流为,』 i ,初级绕组流过的电流用i 表 示,L 流过的电流用i 表示,Lf流过的电流用i 表示,改进型带钳位二极管的移相全桥ZVS DC/DC变换器电路的工作波形如图2所示,该 变换器在一个开关周期共有18种开关模式,后 9种类似前9种,在此分析前9种 J。 Tr CbI ^^厂 B : l 图1 DC/DC变换器电路原理图 在t。时刻之前,VT 和VT 导通,输出整 流管D 导通,D 截止,c 中充满电荷。 开关模态1:[t。,t1]时刻:t。时刻VT 关 断, 。给C。充电,同时C,放电。A点电压线 性下降,因C,存在,VT 实现软关断。此时变 换器谐振工作,参与谐振的是超前桥臂电容、 谐振电感及整流二极管结电容。当A点电位 降为0时,该过程结束,其持续时间为: t01=4CUi /(厶+,1) (1) 其中:,0=nit ;I,为t。时刻折算至原边 的电流值。 开关模态2:[t。,t:]时刻:t。时刻A点电 位降为0,D 自然导通,此时VT,即为零电压开 通。此后i 继续下降,直至C眦放电完毕,D 导 通,该过程完成,进入模态3[t ,t,]时刻:在t 时刻,c啪放电结束,D 导通,2个整流二极管全 通,副边短接,此时变压器原边B点电压下降 到0。i 通过Ⅵ4、D,续流,到t,时刻,当Ⅵ4零 电压关断时,该过程结束,进入模态4[t ,t ]: 在t 时刻Ⅵ'4零电压关断,副边2个整流二极 管同时导通,L 和C 、C 谐振工作,给C 充电, 同时C:放电,ip线性下降,当B点电位为 , c .的电压下降到0时D:导通,该模态结束,进 入模态5[t ,t5]: 继续线性下降, 为: Ⅳ (t)=i (t4)一 (t—t ) (2) L- 当 到0时该过程结束,进入模态6[t , t ]:从t 时刻开始i 过0继续反向增大,Ⅵ,和 Ⅵ'2为 提供通路,当 足以提供负载电流时, Dr。关断,进入模态7[t ,t ]:t 时刻后,i。继续 反向增加,c附反向充电到其上的电压为2Ui /n 时,进入模态8[t,,t。]:在t,时刻, 。上升到 ,C点电位变为0,D 导通,将 钳在 , 从而消除了整流桥的尖峰电压和二极管反向恢 复造成的损耗。到t。时刻, 线性下降为0, D 自然关断,该模态结束,进入模态9[t ,t,]: t。时刻后i 继续反向增加,在t 时刻VT3关断, 该过程结束。t9时刻后的t ~t18与to~t 的工 作情况相同,只是变压器磁化的方向相反。 v l V V 厂 t ” v1 1 _i U-n\ 厂 t f . u-n | ; ._一一、一 :===;- 、 .f , t  .:==!:i‘ ? 一 —— h 一II t r un/n、\ \ ,;\ /  \ . ‘ £. 一南  ‘l-I  ‘ ‘~  t~l ‘h  ‘ t 图2 变换器主要工作波形 第4期 吴鸿霞刘卫东:基于UC3875的新型DC/DC变换器研究 3 2 系统的控制策略及实现 变换器控制电路的主要作用是控制两桥 臂间的移相角和提供一些基本的保护电路。 本系统的控制电路主要由信号检测部分、控制 信号的产生部分、功率驱动部分、隔离输出部 分和系统保护部分电路组成。本变换器控制 系统采用电压控制模式,控制电路控制超前桥 臂和滞后桥臂间的移相角,从而控制输出电压 值;另外提供一些基本的保护电路,如:短路保 护、过压保护、限流保护等电路,以确保变换器 的安全可靠工作。本变换器控制电路是基于 美国TI公司的一款专业移相控制IC芯片 UC3875设计的。UC3875可用于桥式准谐振 变换器控制中,既可用来控制零电压准谐振变 换器,也可用来控制零电流准谐振变换器。 2.1 UC3875芯片及外围电路设计 UC3875芯片主要由以下几个部分组成: 基准电源、工作电源、振荡器、锯齿波发生器、 移相控制信号发生电路、误差放大器和软启 动、死区时间设置、过流保护、输出级。它能运 行于电压模式,芯片内部集成了一个带宽为 7 MHz的误差运算放大器。引脚16是频率设 置端,芯片内有一个高速振荡器,在频率设置 脚FREQ SET(16)与信号地GND(2O)之间接 一个电容C。。和一个电阻R8来设置振荡频率, 从而可设置输出级的开关频率,它的内部振荡 频率可达2 MHz,实际应用中可提供开关频率 为1 MHz的驱动信号,具有快速过流保护、欠压 保护和软启动等功能;引脚SLOPE(18)为斜 率设置脚;引脚RAMP(19)为斜坡控制端,提 供一个恒流,在RAMP与信号地GND之间接 一个电容C ,就决定了锯齿波的斜率。移相 控制信号发生电路是UC3875的核心部分。 振荡器输出2个180。互补的方波信号,这2 个方波信号从OUTA和OUTB输出,延时电路 为这2个方波信号设置死区。在死区设置脚 与信号地GND之间并联一个电阻和电容,就 可以分别为2对互补输出信号设置死区时间。 根据前面的分析,用UC3875搭建的外围控制 电路如图3所示,R8和C 。设置开关频率,R, 和C 设置OUTA和OUTB的死区时间,R 和 C8设置OUTC和OUTD的死区时间,R3和C6 设置锯齿波的斜率和幅值,c,设置软启动时 间 。频率设置的计算式为: ,4 —RC—(3) slo 本变换器的开关频率设置为30 kHz,则振 荡器的频率为60 kHz,可分别选择C 。为2 nF, R8为34 kQ。死区时间设置为1 s,由UC3875 特性选取C8、C9为2 nF,R6、R7为80 kfl。 UC3875的8、9、l3、14引脚输出PWM脉冲, 由于需要外加驱动电路才能驱动功率开关管, 本变换器的具体驱动电路如图4所示。 图3 UC3875的外围电路 图4功率驱动电路 2.2 系统稳定性分析 本变换器是以输出电压作为反馈的单电 压环PWM控制方式,电压闭环系统方框图如 图5所示,电压调节器采用PI调节器,参数简 单,设计整定容易。PI调节器电路如图6所 示,误差放大器由UC3875内部提供。对电压 环进行优先设计后得调节器主要参数为: Rl=70 kfl,C】=10 F。 4 黄石理工学院学报 图5 电压闭环系统方框图 图6 电压调节器原理图 系统的开环传递函数的波特图如图7所 示,由图7可见系统相位裕度约为50。,系统 有较好的 忡能 ~ 一秘 一 氅!璺 驻 苗 辞琵魏琵壤琵驻 : ~, g 函 ? 、… § i;鍪霉≮ ;搿黯 § 溢嚣 i;鬻§ 赫 落 辫  .甏 图7 传递函数波特图 3 实验结果 在进行系统仿真的基础上搭建了实验电 路,电路参数为:输入电压Ui =500 V,输出电 压Uo=20 V;3 kW的DC/DC变换器,主要元件 参数:控制电路采用UC3875,主功率器件选用 三菱公司的CM200DY一24H模块,其内部分别 由2个IGBT和2个二极管集成而成,变压器原 副边匝比30:20,超前桥臂并联电容为4 nF;输 出滤波电感:4 mH,滞后桥臂并联电容为 6.7 nF;输出滤波电容为2个2 200 电容并 联,开关频率为30 kHz,整流二极管可选用IXYS 公司生产的DSEI2×101—12A型快恢复二极 管。UC3875输出的开关管vT (通道1)、VT (通道2)的驱动波形如图8所示。由图8可以 看出超前桥臂的2个开关管驱动为互补关系, 而且在2个驱动间还有1 s的死区;UC3875输 出的开关管、,rI、 (通道1)、VT (通道2)的驱动 波形如图9所示,可以看出通道1滞后通道2 约3O。,实现了移相功能;图lO是10%负载情 况下超前桥臂电压开关实验波形,图l0中的通 道1代表了超前桥臂IGBT开关管的驱动信号 波形,通道2代表超前桥臂IGBT开关管的管压 降波形;图1 1是10%负载情况下,滞后桥臂 ZVS实验波形,图1 1中的通道1为滞后桥臂 IGBT管的驱动信号波形,通道2为滞后桥臂 IGBT管的管压降波形。 可  I.I. I ' 纵轴:10V/div,横轴5 u。 图8 VT。、VT]驱动波形 D ...广] ・.—... ‘I 。。-’●。^‘‘ ●~ -..-.-.., 一 L一 ....j【... ......~ 纵轴:l0V/div,横轴5 tl¥ 图9 VT。、VT 驱动波形 图10超前桥臂ZVS实验波形 : :。:  圣 _叶 “” 豫兰圭 }- u一 ・ _ { 图1 1 滞后桥臂ZVS实验波形 (下转第9页) 第4期 邹莉:基于MSP430FI49单片机的实验用温控对象模拟器的设计 9 5 结束语 实验用温控对象模拟器可以通过面板开 关切换,实现手动开环控制和自动闭环控制, 具有灵活且实现途径多样化的特点,加入键盘 和液晶显示,能清晰显示当前温度,也可以通 过键盘和计算机随时更改设定温度,使模拟器 更加智能化,更易于操作。此外,还配备了可 调速的风扇,起到改变对象参数、形成扰动或 通风降温的作用。 本模拟器采用了MSP430单片机,将传统 控制理论与微控制器控制相结合,其设计目标 是测温及控温范围为0—200℃,温控分辨率 (上接第4页) 4 结论 基于UC3875的新型ZVS PWM DC/DC变 换器在轻载条件下超前桥臂和滞后桥臂均实 现了ZVS,本文具体分析了它的工作原理,给 出了基于UC3875的变换器的实现方案,变换 器采用移相控制,实验结果说明理论分析的正 确性和具体方案的可行性。基于UC3875的 移相全桥ZVS DC/DC变换器结构简单,工作 可靠,易于实现,调试方便,功能完善,动、静 态性能好,变换器效率高,有很好的应用前景。 参考文献 Yungtaek Jang,Milan M Jovanovie,Yu—Ming Chang.A new ZVS—PWM fu11一bridge convert— ers[J].IEEE Trnasactions on Power Electronics, 2003,18(5):1122—1129 [2] 孙铁成,汤平华,高鹏,等.一种新型全桥零电 压转模PWM DC—DC变换器[J].中国电机工 程学报,2006,26(6):83—87 为0.1℃,完成了实验用温控对象模拟器的 软、硬件设计工作,可以形成性价比较高的本 科生实验装置。 参考文献 [1] 王淑青,杨桦,何涛.模糊PID复合控制在变频 空调中应用研究[J].微计算机信息,2006(6): 42—44 [2]蔡海平.基于MSP430单片机的外围电路的通 用化平台研究与设计[D].[硕士学位论文]. 南京:河海大学,2003:31—35 [3] 王良.基于智能控制技术的新型温控系统的研 究[J].微计算机信息,2008,24(20):161—162 (责任编辑吴鸿霞) [3] J Claudio Manoel C.Duarte,Ivo Barbi.An Im- proved Family ofZVS—-PWM Active—-Clamping DC—to—DC Converters[J].IEEE Tram on Power Electronics,2002,17(1):I一7 [4] Cho J G,Rim G H,Lee F C.Zero voltage and zero current switching full bride PWM converter using secondary active clamp[J].IEEE Transae— tions on Power Electronics,1998,13(4):601— 607 [5] Garabandie D,Dunford W G,Edmunds M.Zero --voltage zero。-current switching hish output voltage full——bridge PWM converters using the inter—winding capacitnace[J].IEEE Transae— ifons on Power Electronics,1999,14(2):343— 349 [6] 陈坚.电力电子学——电力电子变换和控制技 术[M].北京:高等教育出版社,2002:314— 317 [7] 王艳玲.复合式全桥三电平直流变换器的研究 [D].[硕士学位论文].武汉:华中科技大学 图书馆,2007 (责任编辑高嵩) 

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