移相控制零电压开关控制器UC3875的高频开关电源 作者：焦 斌 时间：2007-01-18 来源: 摘 要: 为减小开关器件的开关损耗,提高开关频率,减小开关电源的体积、重量,提高效率,介绍了新型移相控制零电压开关PWM变换器( PSZVS-PWM)工作原理,实现零电压开关的条件,并给出了由控制芯片UC3875构成的实用高频开关电源电路。 关键词: 移相; 控制; 零电压开关; 控制芯片 引 言 近年来采用PWM调制技术的开关电源不断向高频化、线路简单化和控制电路集成化方向发展,使开关电路的体积、重量、效率都上了一个台阶。但在PWM控制方式中,开关器件多处于硬开关工作状态,开关器件有较高的开关损耗,限制了开关频率的提高;在关断大电流时,由于分布参数的存在,开关元件承受了较大的开关应力。移相控制零电压开关PWM变换器( PSZVS-PWM)利用变压器的漏感和功率管的寄生电容实现零电压开关,使开关损耗大为降低,从而减小了开关的体积,减轻了重量,提高了效率。 工作原理 图1为主电路结构图。VTA、VTB 组成了超前桥臂,VTC、VTD 组成了滞后桥臂。图1中: VDA～VDD 及CA ～CD 分别是VTA ～VTD 的内部寄生二极管及寄生电容, CA =CB =Clead , CC =CD =Clag ; LR (包括变压器的漏感)为谐振电感。控制芯片采用UC3875,可实现移相控制。开关管驱动信号如图2所示,左桥臂(右桥臂)的两个开关管形成180°互补导通,对角两个开关管VTA 和VTD (或VTB 和VTC )导通角相差一角度(移相角) ,通过调节移相角的大小即可调节输出电压。 图2为移相控制零电压开关时序图。图3为移相控制零电压开关变换器的主要波形图。图4为开关状态图。 (1) 初始状态t < t0 (见图4 ( a) ) 。VTA、VTD导通,原边电流流通路径为:电源正端Us + →VTA→CE →T1 →LR →VTD →电源负端Us - ,电流为IP。 (2) t0 < t < t1 阶段(见图4 ( b) ) 。t = t0 时刻,VTD 驱动信号为零,原边电流流通路径从VTD转移到电容CC 和CD 支路,此时CD 充电, CC 放电,可见VTD 是零电压关断。此阶段因LR 的缘故, IP 近似不变。电容CD、CC 上的电压为 ( 3) t1 < t < t2 阶段(见图4 ( c) ) 。t = t1 时刻,VTC 驱动信号为正,但VTC 无电流流过,此时二极管VDC 导通,原边电流流通路径为: VTA →CE→T1 →LR →VDC。可见,由于VDC 的导通,VTC 的电压钳位在零位,则VTC 为零电压导通。在t2 时刻变压器原边IP 下降到I2。 (4) t2 < t < t3 阶段(见图4 ( d) ) 。t2 时刻,VTA 驱动信号为零,原边电流流通路径从VTA 转移到电容CA 和CB 支路,此时CA 充电, CB 放电,可见VTA 是零电压关断。变压器原边电流为 电容CA 和CB 的电压为 式中 (5) t3 < t < t4 阶段(图4 ( e) ) 。t3 时刻, VTB驱动信号为正,此刻CB 放电已结束,VTB 零电压导通,原边电流流通路径为:电源正端Us + →LR →T1 →CE →VTB →电源负端Us - ,原边电流IP 反向。 零电压关断实现条件 (1) 超前开关管的ZVS是利用次级输出滤波电感在电流最大时提供的能量实现的。超前桥臂实现零压开通的条件为 式中 td ———超前桥臂死区时间 n———变压器变比 Is ———负载电流 ( 2) 滞后开关管的ZVS是利用次级输出滤波电感在电流最小时提供的能量实现的。由此可见,变换器的开关管是利用次级滤波电感器的能量来实现零电压开关的。 滞后桥臂零电压导通的条件须满足: 其中: Lr 为原边电感; IP,min为原边电流最小值; Us为输入电压; CE 为变压器副边并联电容; Cxfmr为变压器副边分布电容。 应用实例 (1) UC3875 控制器。图5 为移相控制器UC3875管脚排列。1脚:参考电压输出; 2脚:内部运放输出端; 3脚:运放输入端( - ) ;可接入一反馈电压信号, 2脚与3脚之间接一阻容网络,以稳定输出电压; 4脚:运放输入端( + ) ,可接入给 定电压信号,以控制输出电压大小; 5脚:电流检测,可实现电流保护; 6 脚: 软起动; 7 脚: C /D 两功率管的延迟; 8脚:驱动输出至D管; 9脚:驱动输出至C管; 10脚:驱动信号电源; 11脚:芯片工作电压;一般10: 11脚接同一电压; 12脚:主电路接地端; 13脚:驱动输出至B管; 14脚:驱动输出至A管; 15脚: A /B两功率管的延迟信号; 16脚:开关频率设置端; 17脚:时钟信号输出端; 18脚:斜坡信号补偿; 19脚:斜坡信号发生端; 20脚:信号地。 UC3875可实现零电压开关移相控制,也可实现电压模式控制或电流模式控制,控制芯片还能实现快速过电流保护(70 ns) 。芯片工作电压一般为20 V,当工作电压低于10. 75 V时实现欠电压保护。 (2) 应用电路。图6为采用UC3875构成的开关电源实用电路。图中: IC1 构成的电路输出一直流电压12 V供蓄电池充电; C13构成软启动电路, C13充电电压达到4. 8 V时电路启动; IC2 构成了电压反馈,使T3 输出电压经整流后稳定在12 V, IC4 也采用UC3875构成了第2级逆变,输出直流电压48 V,作为通信电源; IC1 及IC4 构成了二级逆变,从而组成了一个在线式开关电源。电网供电正常时,由电网经过两级逆变输出所需的48 V直流电压。当电网断电后,第二级逆变器由蓄电池供电,输出所需的48 V直流电压。 图7为变压器原边电压电流波形图,图8为副边电压电流波形。 结 论 通过以上分析和实验得出以下结论: (1) 移相控制零电压PWM变换器的开关器件均工作在零电压开关状态,因而器件的开关损耗大大降低,有利于提高开关频率,减小变换器的体积与重量。 (2) 领先桥臂比滞后桥臂易实现零电压开关。
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