基于UCC3895的新型通信AC-DC转换器的设计

　　摘要：本文介绍了移相全桥零电压零电流开关(ZVZCS)转换器原理和基于UCC3895的新型通信AC-DC转换器的设计。实验结果证明基于该电路设计的新型AC-DC转换器性能稳定可靠，效率达93%。

　　关键词：移相全桥;零电压零电流开关;UCC3895

　　引言

　　随着开关电源向高频化、高功率密度发展，人们愈来愈重视开关电源工作时日渐突出的开关损耗，开关损耗直接影响到开关电源的工作效率和可靠性。为了避免开关管同时导通而出现的死区时间，移相谐振全桥软开关控制技术正是利用这段死区时间，通过LC谐振使与开关管并联的输出电容(或寄生电容)上的电压迅速放电，实现超前桥臂开关管的零电压导通。同时通过在主变压器初级回路中串联阻断电容和饱和电抗器，对滞后桥臂开关管实现零电流关断，减少开关管的开关损耗并降低噪声干扰。

　　移相谐振PWM控制器UCC3895是TI公司推出的用于设计移相谐振PWM开关电源的最新理想器件。它可对全桥开关的相位进行移相控制，实现全桥功率级固定频率脉宽调制功能。与UC3875(79)系列相比，该电路新增了死区自动调节等功能，进一步增强了电源系统的可靠性，同时该电路功耗显著下降，更适合通信电源低功耗、高功率密度、高可靠性的要求。

　　移相控制器UCC3895的特点体现在其四个输出端分别驱动S1/S2和S3/S4两个半桥，可进行自适应死区时间设置，在死区时间内确保超前桥臂功率开关器件的并联输出电容放电完毕，为即将导通的超前桥臂上的开关器件提供零电压导通条件,同时通过电路中串联的阻断电容和原边附加饱和电抗器对滞后桥臂上的功率开关器件实现零电流关断。

　　移相全桥ZVZCS软开关转换器工作原理

　　移相谐振全桥ZVZCS软开关转换器拓扑如图1所示，图中L由两部分组成，外加谐振电感和变压器的漏感L_lk，Ls为串联饱和电抗器，C_b为外加阻断电容，C₁、C₂为开关管S₁、S₂的结电容及外接并联电容，S₁、S₂超前导通称为超前桥臂，S₃、S₄滞后导通称为滞后桥臂。

图1 移相全桥ZVZCS软开关转换器拓扑

　　移相谐振零电压零电流PWM转换器的主要优点是：实现超前桥臂开关零电压导通，滞后桥臂开关零电流关断;导通和关断损耗几乎为零，高可靠性;占空比利用率高;无二次寄生振荡;高效率、高功率密度、低成本。

　　超前桥臂功率开关管的零电压导通

　　当S₁、S₂相互转换时，变压器处于能量传递阶段，原边电流I=-I₀/n，输出滤波电感L₀很大，原边等效电感L=L_lk+L_s+L₀/n²。参与谐振的电感有变压器原边等效电感和励磁电感，有(LI²×1/2+励磁能量)>V_in²(4C_s/3+C_t/2)，根据零电压导通的条件：电感的能量必须大于所有参与谐振的电容的能量，由此可见即使在轻载条件下，超前桥臂上的开关管也很容易满足零电压导通条件。式中C_s为开关管的等效输出电容，C_t为变压器绕组的分布电容。

　　图2(a)和图2(b)表示移相谐振全桥PWM转换器中超前桥臂开关管在开关过程中电压、电流的变换情况。在图2(a)中，当超前桥臂上的开关管导通时，即开关管中电流在上升之前，通过原边等效电感L与开关管并联电容C₁(C₂)谐振，使C₁或C₂上的电压降至零伏，反向并联二极管D₁或D₂导通，为S₁、S₂提供零电压导通条件，故导通损耗为零。在图2(b)中，当超前桥臂上的开关管关断时，由于开关管并联电容的作用，降低了关断电压的上升斜率，使其只与电流降低的较低部分(即尾电流部分)产生交叠，从而降低了开关损耗。如果没有外加的并联电容，开关管的关断损耗将会很大，见图2(b)中虚线所示。

图2(a)超前桥臂开关管零电压导通 

图2(b) 超前桥臂开关管关断

　　滞后桥臂功率开关管的零电流关断

　　在图3(a)中，当滞后桥臂上的开关管导通，电流从零刚开始上升时，由于原边回路串联饱和电抗器的影响，限制了电流的上升斜率。过了这段时间后电流再按原斜率V_in/L_lk上升，与电压下降曲线几乎不交叠，即由于电流初始上升曲线的改变使得开关管电流与电压交叠时二者的值都很低(电压已经降至零值附近)，故此时开关管的导通损耗很小。如果没有串联饱和电感，则开关管导通电流上升时间提前且上升斜率很大，如图3(a)中虚线所示。而此时开关管上的电压仍处高位值，将使开关管导通损耗很大并伴有寄生振荡。滞后桥臂上开关管关断原理为：原边回路谐振，阻断电容C_b上的电压迫使电感电流(即变压器原边电流)下降至零，同时串联饱和电抗器L_s在电感电流接近于零时退出饱和，阻止电流向反方向增大，从而在一小段时间内将电流嵌在零值，实现滞后桥臂开关管的零电流关断。在图3(b)中，可以看到当滞后桥臂开关管关断时，电流已经提前降至零，故关断损耗为零。

图3(a) 滞后桥臂开关管导通   

    图3(b) 滞后桥臂开关管零电流关断

　　移相全桥ZVZCS新型通信AC-DC转换器的设计

　　UCC3895的引脚功能

　　UCC3895具有如下特点：可编程输出导通(启动)延时时间;自适应延时设置死区时间;具有电压模式和电流模式控制能力;实现输出脉冲占空比0~100%的相移控制;内置7MHz带宽误差放大器;最高工作频率可达1MHz;低功耗。

　　UCC3895引脚功能如表1所示。

　　主电路参数设计

　　采用UCC3895设计一台新型通信AC-DC转换器，主要技术指标为：输入电压V_in=220V±20%/50Hz,输出电压V_o=48V，I_o=20A，效率h≥92%。转换器主电路框图如图4所示。

图4 ZVZCS新型通信AC-DC转换器主电路框图

　　主电路参数设计是根据交流电压输入范围、输出电压、输出电流大小等因数确定。

　　主变压器参数的选择

　　主变压器的设计影响电路性能的关键。为提高主变压器的利用率，减少开关管中的电流，同时在最小输入电压时能够输出满足要求的输出电压，在计算变压器的变比时应按照最小输入整流电压U_1min选择。

　　主变压器原边、副边匝数计算公式分别由下式给出：

　　原边匝数N1=V_in×108/(4f×B_m×A_e)

　　原边最小电压U_1min=0.9pU_line/2,

　　副边最小电压

　　U_2min=(U_omax+U/Dm,

　　副边匝数 N2=N1×U_2min/U_1min

　　谐振电感的参数选择

　　由谐振暂态分析可知，在谐振时间内谐振电感L的能量必须大于谐振电容充放电的能量。即有下述公式：

　　LI₂²×1/2>4C×U_in²/3

　　则 L>8C×U_in²/3 I₂²

　　功率开关管及电容参数的选择

　　由于零电压导通与零电流关断可以明显减少功率开关管上的电压应力，减少功率开关管的损耗，在选择上其定额比硬开关电路要小很多，因此可以适当降低反峰裕量，计算方法与硬开关电路相同。在这里功率开关管选用IXYS公司的MOSFET管IXTH25N60(600V/25A)，其它参数有隔直电容C选用极品无感电容2.2mF，并联谐振电容选用无感电容630V/1000pF，谐振电感选30mH。

　　控制电路设计

　　转换器控制电路如图5所示，其优点是工作稳定性好，功耗低，跟踪速度快。

图5 转换器控制电路原理框图

　　UCC3895外围主要器件选择及功能如下：

　　1. 输出反馈误差放大器采用片内7M带宽误差放大器;

　　2. 工作频率由外接定时电阻和定时电容确定，即t=120ns+5R6C10/48;

　　3. 短路或过流保护，当输出出现异常或过流时，通过串联在主回路中的电流互感器检测电流信号，并经过处理后送至芯片的CS端，一旦该端电位大于2.5V时芯片过流保护电路工作，立即封锁脉冲停止输出;

　　4. 输出驱动电路，要求输出端驱动脉冲上升沿陡，下降沿无拖尾，芯片输出采用外接驱动电路IR2100芯片，经脉冲变压器隔离后驱动功率开关管;

　　5. 死区时间设置。影响死区时间的因素有初级最大占空比以及当电源电压达到上限时要保证每个桥臂不能直通，通过对芯片9、10脚外接电阻R7、R8并选取不同阻值及VDEL值可分别对两对开关之间的死区时间进行设置;实验表明，当f=100kHz时死区时间设置为600ns时电路工作稳定可靠;延迟时间tDELAY由下述经验公式计算：

　　t_DELAY=25ns+25×10-12R_DEL/V_DEL

　　(6) 移相PWM宽度的调节。相移控制通过内部误差放大器实现，输出电压经处理后送至芯片(内部误差放大器)的输入端20脚，比较后差值经放大输出至移相脉宽控制器，控制A、B与C、D之间的相位，进行占空比调节从而使输出电压稳定在设定值上。

　　实验结果和波形分析

　　根据上述移相全桥ZVZCS软开关转换器原理及UCC3895的设计原则对电路进行了实验研究，设计了一台移相全桥ZVZCS新型通信AC-DC转换器。输入电压为220V±20%/50Hz,输出电压V_o=48V，电流I_o=20A，开关频率为100kHz，UCC3895的振荡频率为200kHz，输出整流选用IXYS公司的快恢复二极管DSEI 2×30-04C。经实际测试，该通信AC-DC转换器输出性能指标满足设计要求，工作稳定可靠，效率高达93%。

　　图6是用泰克示波器测得的变压器初级电压波形，可以看出实际电压波形很干净，没有出现振荡和电压尖峰。

图6  变压器初级电压波形

　　图7是用泰克示波器测得的变压器初级电流波形，由于外加谐振电感，避免了传统硬开关转换器导通时的电流尖峰。

图7  变压器初级电流波形

　　图8是用泰克示波器测得的该转换器超前桥臂开关管VA、VB驱动和电压波形，可以看出，当驱动电压过零时，其漏源极电压已经(提前)为零了，从而保证了MOSFET的零电压导通。

图8  超前桥臂开关管VA、VB驱动和电压波形

　　图9是用泰克示波器测得的该转换器滞后桥臂开关管VC、VD驱动和电压波形，可以看出，当驱动电压过零时，开关管中电流i_VC=i_VD=0，为零电流关断。

图9  滞后桥臂开关管VC、VD驱动和电流波形

　　结语

　　利用UCC3895控制芯片设计的移相全桥新型通信AC-DC转换器能够有效地实现开关管的零电压导通与零电流关断，初级导通损耗得到大大降低，占空比的调节范围宽。该转换器电路控制新颖简单，成本低廉，尤其是在转换效率、工作稳定性和可靠性等方面得到了进一步优化，在通信电源及中小功率电源市场方面具有广泛的应用前景。

　　参考文献

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　　4. 刘胜利编著. 现代高频开关电源实用技术. 电子工业出版社. 2001.9

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