摘要：針對(duì)新型的移相PWM控制器UCC3895，介紹了其基本的功能及與UC3875(79)系列的控制器相比所具有的特點(diǎn)。并將該控制器應(yīng)用于20kHz／500W移相全橋電源，進(jìn)行了開(kāi)環(huán)和閉環(huán)的系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所進(jìn)行的設(shè)計(jì)是合理的，UCC，3895有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。
關(guān)鍵詞：移相全橋變換器；UCCt895；設(shè)計(jì)

0 引言
    移相全橋(Full-Bridge，F(xiàn)B)PWM變換器是一種應(yīng)用廣泛，適用于較大功率、低電壓等場(chǎng)合的變換器。該變換器采用PWM移相控制，在不附加其他額外元器件，電路成本和復(fù)雜程度基本不變的情況下，利用變壓器的漏感和功率開(kāi)關(guān)管的結(jié)電容進(jìn)行諧振，使功率管實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)關(guān)(ZVS)，從而減小了開(kāi)關(guān)損耗，變換器的效率可大于80％，并且開(kāi)關(guān)電壓應(yīng)力的減小使得開(kāi)關(guān)頻率可以進(jìn)一步得到提高，可達(dá)到100 kHz～500 kHz，故該變換器適應(yīng)當(dāng)今開(kāi)關(guān)電源高頻化、高效化的發(fā)展趨勢(shì)，有廣闊的應(yīng)用前景。

    實(shí)現(xiàn)全橋變換器的移相PWM控制的方法很多，比如：采用分立器件進(jìn)行邏輯組合，采用專(zhuān)用的集成控制芯片，采用DSP或CPLD數(shù)字實(shí)現(xiàn)等。第一種方法較為復(fù)雜，不利于工業(yè)應(yīng)用，第三種方法的成本相對(duì)較高；而采用專(zhuān)用的集成控制器是電源開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)者們較多采用的方法。當(dāng)今應(yīng)用較多的移相全橋集成控制芯片主要是UC3879和UC3875／6／7／8系列。UC3879作為UC3875的改進(jìn)型，其工作原理和基本結(jié)構(gòu)是相同的，但在一些功能上進(jìn)行了改進(jìn)。UCC3895是TI公司生產(chǎn)的又一種高性能PWM移相型控制器。它是UC3879的改進(jìn)型，除了具有UC38779的功能外，最大的改進(jìn)是增加了自適應(yīng)死區(qū)設(shè)置，以適應(yīng)負(fù)載變化時(shí)不同的準(zhǔn)諧振軟開(kāi)關(guān)要求。新增加了PWM軟關(guān)斷能力。同時(shí)由于它采用了BCDMOS工藝，使得它的功耗更小，工作頻率更高，因而更加符合電力電子裝置高效率、高頻率、高可靠的發(fā)展要求。

    本文首先介紹了UCC3895的電氣特性、管腳的基本功能及電壓型控制或峰值電流控制的實(shí)現(xiàn)。然后應(yīng)用UCC3895設(shè)計(jì)了220 V輸入、24 V輸出、開(kāi)關(guān)頻率20kHz、功率500W的移相全橋電源，并給出了開(kāi)環(huán)和閉環(huán)實(shí)驗(yàn)的主要波形。

1 UCC3895應(yīng)用特性
    UCC3895有以下特性：可編程輸出開(kāi)通延時(shí)和自適應(yīng)延時(shí)設(shè)置；既可用于電流模式，又可用于電壓模式；可實(shí)現(xiàn)輸出脈沖占空比從0％～100％相移控制；內(nèi)置7 MHz帶寬的誤差比較放大器，最高工作頻率1 MHz等。它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

    腳ADS是該控制芯片新增的控制管腳，其功能是設(shè)置所設(shè)定輸出延時(shí)死區(qū)最大值與最小值之間的比。

    當(dāng)腳ADS與電流傳感腳CS直接相連時(shí)，延時(shí)死區(qū)時(shí)間最小；當(dāng)腳ADS直接接地時(shí)，延時(shí)死區(qū)時(shí)間最大。

    腳ADS可通過(guò)式(1)所列關(guān)系改變腳DELAB和腳DELCD上的電壓，從而改變輸出延時(shí)。
  
    式中：VDEL為腳DELAB和DELCD上的電壓；
    VCS為腳CS上取樣電流的電壓；
    VADS為腳ADS上所施加的設(shè)定電壓。

    腳CS為電流檢測(cè)比較器的反相輸入端。當(dāng)電路工作在峰值電流模式下時(shí)，該引腳信號(hào)可實(shí)現(xiàn)逐個(gè)周期的電流限制功能，同時(shí)在任何情況下當(dāng)電路過(guò)流時(shí)，芯片立刻封鎖輸出進(jìn)入軟啟動(dòng)周期實(shí)現(xiàn)有效的保護(hù)功能。

    腳RAMP、當(dāng)UCC3895工作于電壓或平均電流控制模式下，該腳接振蕩器輸出腳CT時(shí)，該引腳接電流信號(hào)腳CS時(shí)，則UCC3895工作在峰值電流模式下。

    同步振蕩器的工作頻率由定時(shí)電容CT和定時(shí)電阻RT決定。振蕩周期可由式(2)近似得到

   
    同一橋臂上的兩個(gè)管子的死區(qū)延時(shí)時(shí)間可由式(3)確定，

   
    式中：RDEL為腳DELAB與地間所接的電阻。
    UCC3895與UC3875、UC3879等傳統(tǒng)的移相控制芯片的參數(shù)比較如表l所列。

    從表1可看出UCC3895的功耗明顯減小，相應(yīng)速度最快，但是驅(qū)動(dòng)能力相對(duì)UC3875而言較小，所以在實(shí)際應(yīng)用中還要根據(jù)情況合理選擇芯片。

2 主電路與控制電路參數(shù)設(shè)計(jì)
    本文所設(shè)計(jì)的電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示。

    主電路中變壓器的設(shè)計(jì)是影響電路性能的關(guān)鍵。根據(jù)參考文獻(xiàn)[4]，選用面積乘積法來(lái)設(shè)計(jì)高頻變壓器。設(shè)變壓器的輸出功率為Po,變壓器的效率為η，填充系數(shù)為Ku，導(dǎo)線(xiàn)的電流密度為J，一個(gè)高頻周期內(nèi)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通的時(shí)間為tom，變壓器變化的磁密為△B，則可以得到下面的計(jì)算公式。

   
    又因?yàn)楦哳l變壓器為雙向激磁，所以△B=2 BmBm為磁芯最大的工作磁密；設(shè)開(kāi)關(guān)頻率為f 及占空比為D，則有ton=0．5D／fo將上述關(guān)系帶入到式(4)中可得

   
    選取參數(shù)：Po=500W；f=20kHz；對(duì)于R2KB材質(zhì)的鐵氧體磁芯可選擇最大工作磁感應(yīng)強(qiáng)度Bm=1700Gs；填充系數(shù)Ku=O．3；導(dǎo)線(xiàn)電流密度J=3A／mm2；變壓器的變換效率η=0 98。可得AcAw=4.614 cm4，通過(guò)查閱變壓器磁芯手冊(cè)可知選用EE80磁芯。

    變壓器原邊匝數(shù)計(jì)算公式為

   
    式中：Vimax為輸入電壓的最大值。
    變壓器副邊匝數(shù)的計(jì)算公式為
   

    式中：Vimin為輸入電壓的最小值；
    Vomax為輸出電壓的最大值。
    將參數(shù)代入計(jì)算并取整后呵得原副邊匝數(shù)為：N1=114匝，N2=14匝。
    主電路中其他主要參數(shù)為
    開(kāi)關(guān)器件選用MOSFET IXTH25N60；
    并聯(lián)電容選用 l000 pF／630V；
    諧振電感30 μH。

    系統(tǒng)采用PI控制的電壓閉環(huán)，通過(guò)對(duì)移相全橋變換器數(shù)學(xué)模型的分析，并通過(guò)PSPICE14．O的仿真研究，最后確定調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為：

   

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    在分析了UCC3895的主要管腳功能和基本特性的基礎(chǔ)上，制作了一臺(tái)AC 220 V輸入、DC24V輸出的移相全橋變換器樣機(jī)以驗(yàn)證芯片的功能和所設(shè)計(jì)參數(shù)的正確性。

    控制電路采用UCC3895控制器，驅(qū)動(dòng)采用IR2110，控制電路原理如圖3所示。

    實(shí)驗(yàn)所得主要波形如圖4～圖7所示。

    圖6和圖7中的vgs1和vgs2分別為超橋臂功率開(kāi)關(guān)S1與滯后橋臂S4的驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形；vDs1和vDS4分別為S1與S4漏源極之間的電壓波形。從驅(qū)動(dòng)信號(hào)與漏源電壓的對(duì)應(yīng)關(guān)系可以看出，功率開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)了ZVS。

    圖8為電壓閉環(huán)時(shí)，負(fù)載0～3A突變時(shí)輸出電壓和電流的對(duì)應(yīng)關(guān)系。從圖8中可以看出所選擇的調(diào)節(jié)器參數(shù)較好地滿(mǎn)足了系統(tǒng)的快速性和穩(wěn)定性。

4 結(jié)語(yǔ)
    新型移相全橋控制器UCC3895與傳統(tǒng)的移相控制器相比，在保留的基本功能的前提下，改進(jìn)了設(shè)計(jì)，增強(qiáng)了功能，減小了功耗，從而整個(gè)變換器系統(tǒng)的效率及可靠性得到了進(jìn)一步優(yōu)化。本文通過(guò)制作實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，進(jìn)行開(kāi)環(huán)和閉環(huán)的實(shí)驗(yàn)研究，進(jìn)一步驗(yàn)證了該芯片用于軟開(kāi)關(guān)移相全橋變換器控制的可行性和有效性。