多路獨立供電的半橋變換器的設計

隨著(zhù)電力電子技術(shù)的發(fā)展，電源技術(shù)被廣泛應用于各個(gè)行業(yè)。對電源的要求也各有不同。本文介紹了一種功率較大，多路輸出(20路及以上)并且相互獨立的開(kāi)關(guān)電源。

設計采用了AC／DC／AC／DC變換方案。一次整流后的直流電壓，經(jīng)過(guò)有源功率因數校正環(huán)節以提高系統的功率因數，再經(jīng)半橋變換電路逆變后，由高頻變壓器隔離降壓，最后整流輸出直流電壓。系統的主要環(huán)節為有源功率因數校正電路、DC／DC電路、功率因數校正電路、PWM控制電路和保護電路等。采用UC3854A／B控制芯片組成功率因數校正電路來(lái)提高功率因數，用新型的芯片UC3825作為控制芯片來(lái)代替SG3525，不僅外圍電路簡(jiǎn)單，而且具有有容差過(guò)壓限流功能，還采用了新型IR2304作為驅動(dòng)芯片，動(dòng)態(tài)響應快，且自帶死區，防止半橋上下管直通。

1 有源功率因數校正電路

為了提高系統的功率因數，整流環(huán)節不能采用二極管整流，采用了UC3854A／B控制芯片組成功率因數校正電路。UC3854A／BUnitrode公司一種新的高功率因數校正器集成控制電路芯片，是在UC3854基礎上的改進(jìn)，其特點(diǎn)是采用平均電流控制，功率因數接近1，高帶寬，限制電網(wǎng)電流失真≤3％。圖1是由UC3854A／B控制的有源功率因數校正電路。

該電路由兩部分組成。UC3854A／B及外圍元器件構成控制部分，實(shí)現對網(wǎng)側輸入電流和輸出電壓的控制。功率部分由L2，Cs，S等元器件構成Boost升壓電路。開(kāi)關(guān)管S選擇西門(mén)康公司的SKM75GBl23D模塊，其工作頻率選在35 kHz。升壓電感L2為2mH／20A。C5采用兩個(gè)450V／470μF的電解電容并聯(lián)。為了提高電路在功率較小時(shí)的效率，所設計的PFC電路在輕載時(shí)不進(jìn)行功率因數校正，當負載較大時(shí)功率因數校正電路自動(dòng)投入使用。此部分控制由圖1中的比較器部分來(lái)實(shí)現。R10及R11是負載檢測電阻。當負載較輕時(shí)，R10及R11上檢測的信號輸入給比較器，使其輸出端為低電平，D5導通，給ENA(使能端)低電平使UC3854A／B封鎖。在負載較大時(shí)ENA為高電平才讓UC3854A／B工作。D6接到SS(軟啟動(dòng)端)，在負載輕時(shí)D6導通，使SS為低電平；當負載增大要求UC3854A／B工作時(shí)，SS端電位從零緩慢升高，控制輸出脈沖占空比慢慢增大實(shí)現軟啟動(dòng)。

2 主電路及控制電路

2．1 主電路

反激式電源一般用在100w以下的電路，而本電源設計最大功率達到300w，顯然不適合。在功率較大的高頻開(kāi)關(guān)電源中，常用的主變換電路有推挽電路、半橋電路、全橋電路等。其中推挽電路用的開(kāi)關(guān)器件少，輸出功率大，但開(kāi)關(guān)管承受電壓高(為電源電壓的2倍)，且變壓器有6個(gè)抽頭，結構復雜；全橋電路開(kāi)關(guān)管承受的電壓不高，輸出功率大，但需要的開(kāi)關(guān)器件多(4個(gè))，驅動(dòng)電路復雜；半橋電路開(kāi)關(guān)管承受的電壓低，開(kāi)關(guān)器件少，驅動(dòng)簡(jiǎn)單。根據對各種拓撲方案的電氣性能以及成本等指標的綜合比較，本電源選用半橋式DC／DC變換器作為主電路。圖2為主電路拓撲圖。

圖2中S1、S2、C1、C2和主變壓器T1構成了半橋DC／DC變換電路。MOSFET采用11NC380。電路的工作頻率為80 kHz。變壓器采用E55的鐵氧體磁芯，無(wú)須加氣隙。繞制時(shí)采用“三段式”繞法，以減小漏感。R1和R2用以保證電容分壓均勻，R3、C3和R4、C4為MOS管兩端的吸收電路。C5為隔直電容，用來(lái)阻斷與不平衡伏秒值成正比的直流分量，平衡開(kāi)關(guān)管每次不相等的伏秒值。C5采用優(yōu)質(zhì)CBB無(wú)感電容。Ct是電流互感器，作為電流控制時(shí)取樣用。D3、D4采用快恢復二極管，經(jīng)過(guò)L1和C6、C7平波濾波后輸出OUT2給控制芯片供電，Rs、R6則是反饋電壓的采樣電阻。主變壓器的輸出OUT3為高頻低壓交流電。如圖2所示，反饋電壓和輸出電壓同一繞組，樣，可以在負載變化時(shí)最大限度地保證輸出電壓的穩定。后級可接一個(gè)或多個(gè)多路輸出的變壓器，然后通過(guò)整流電路整流，這樣既能保證每路輸出都是獨立的，又可以得到任意大小的電壓。故可滿(mǎn)足DSP等需要多路不同電壓供電且精度較高的要求。

2．2 控制電路

系統的控制電路采用高速雙路的PWM控制器UC3825，其內部電路主要由高頻振蕩器、PWM比較器、限流比較器、過(guò)流比較器、基準電壓源、故障鎖存器、軟啟動(dòng)電路、欠壓鎖定、PWM鎖存器、輸出驅動(dòng)器等組成。它比SG3525具有更多優(yōu)點(diǎn)：

1)改進(jìn)了振蕩電路，提高了振蕩頻率的精度，并且具有更精確的死區控制；
2)具有限流控制功能，且門(mén)檻電流有5％的容差；
3)低啟動(dòng)電流(100MA)；
4)UC3825關(guān)斷比較器是一個(gè)高速的過(guò)流比較器，它具有1．2v的門(mén)檻值，保證芯片重新啟動(dòng)前軟啟動(dòng)電容完全放電，在超過(guò)門(mén)檻值時(shí)，輸出為低電平狀態(tài)，防止上下橋臂同時(shí)導通而引起短路。圖3為主電路的控制電路?！?/P>

前級的R808和R809與穩壓管構成一個(gè)啟動(dòng)電路，觸發(fā)UC3825開(kāi)始工作后，由反饋輸出OUT1自供電。PWM的調制波由R1和CT振蕩產(chǎn)生，RT、CT一般按式(1)及式(2)選取。

RT=3V/{（10mA）*(1-Dmax)} (1)

CT=(1.6*Dmax)/(Rt*f)  (2)

式中：f=80kHz，為所取的頻率。

腳1(INV)、腳2(E／A)和腳3(HI)構成一誤差放大器，做為電壓反饋用，腳9(ILIM)為限流，腳8(SS)為軟啟動(dòng)，腳11(0UTA)及腳14(0UTB)為輸出驅動(dòng)信號。從圖3中可看出，UC3825功能比較全，外圍電路簡(jiǎn)單，可有效減少PCB的布線(xiàn)與外圍元器件，提高了系統的可靠性。

2．3 驅動(dòng)電路

MOSFET的驅動(dòng)可采用脈沖變壓器，它具有體積小，價(jià)格低的優(yōu)點(diǎn)，但直接驅動(dòng)時(shí)，脈沖的前沿與后沿不夠陡，影響MOSFET的開(kāi)關(guān)速度。在此，采用了IR2304芯片，它是IR公司新推出的多功能600v高端及低端驅動(dòng)集成電路，它具有以下優(yōu)點(diǎn)。

1)芯片體積小(DIP8)，集成度高(可同時(shí)驅動(dòng)同一橋臂的上、下兩只開(kāi)關(guān)器件)。
2)動(dòng)態(tài)響應快，通斷延遲時(shí)間220／220 ns(典型值)、內部死區時(shí)間1000ns、匹配延遲時(shí)間50ns。
3)驅動(dòng)能力強，可驅動(dòng)600v主電路系統，具有61 mA／130mA輸出驅動(dòng)能力，柵極驅動(dòng)輸入電壓寬達10～20V。
4)工作頻率高，可支持100 kHz或以下的高頻開(kāi)關(guān)。
5)輸入輸出同相設計，提供高端和低端獨立控制驅動(dòng)輸出，可通過(guò)兩個(gè)兼容3．3v、5v和15v輸入邏輯的獨立CMOS或LSTFL輸入來(lái)控制，為設計帶來(lái)了很大的靈活性。
6)低功耗設計，堅固耐用且防噪效能高。IR2304采用高壓集成電路技術(shù)，整合設計既降低成本和簡(jiǎn)化電路，又降低設計風(fēng)險和節省電路板的空間，相比于其它分立式、脈沖變壓器及光耦解決方案，IR2304更能節省組件數量和空間，并提高可靠性。
7)具有電源欠壓保護和關(guān)斷邏輯，IR2304有兩個(gè)非倒相輸入及交叉傳導保護功能，整合了專(zhuān)為驅動(dòng)電機的半橋MOSFET或IGBT電路而設的保護功能。當電源電壓降至4．7v以下時(shí)，欠壓鎖定(UVL0)功能會(huì )立即關(guān)掉兩個(gè)輸出，以防止直通電流及器件故障。當電源電壓大于5v時(shí)則會(huì )釋放輸出(綜合滯后一般為0.3v)。過(guò)壓(HVIC)及防閉鎖CMOS技術(shù)使IR2304非常堅固耐用。另外，IR2304還配備有大脈沖電流緩沖級，可將交叉傳導減至最低；同時(shí)采用具有下拉功能的施密特(Sohmill)觸發(fā)式輸入設計，可有效隔絕噪音，以防止器件意外開(kāi)通。

如圖4所示為IR2304的連線(xiàn)圖

可以看出，IR2304具有連線(xiàn)簡(jiǎn)單，外圍元器件少的優(yōu)點(diǎn)。其中VCC由主電路中OUT2自供電，LIN和HIN分別接UC3825的兩個(gè)輸出端，VD要采用快恢復二極管，C1為濾波電容，C2為自舉電容，最好采用性能好的鉭電容，R1和R2為限流電阻。

2.4 保護電路設計

對于DC／DC電源產(chǎn)品都要求在出現異常情況(如過(guò)流、過(guò)載)時(shí)，系統的保護電路工作，使變換器及時(shí)停止工作。UC3825的保護電路設計也比較簡(jiǎn)單，如圖5所示　

通過(guò)電流互感器得到的采樣電流，經(jīng)過(guò)轉換后送到UC3825腳9(ILJIM)，當電流超過(guò)預定值時(shí)，UC3825自動(dòng)封鎖輸出脈沖，起到保護作用。

3 實(shí)驗結果及波形

圖6～圖9為樣機的部分實(shí)驗波形。

4 結語(yǔ)

所制作的工程樣機，已經(jīng)通過(guò)性能測試。該系統采用UC3854A／B控制芯片組成功率因數校正電路，在輕載時(shí)不工作，有利于提高效率，在重載時(shí)電路自動(dòng)投入工作，提高了大功率時(shí)的功率因數。主電路控制采用了新型的芯片UC3825，具有有容差過(guò)壓限流功能，而且外圍電路簡(jiǎn)單，穩定性好，還采用了新型的動(dòng)態(tài)響應快，驅動(dòng)能力強，工作頻率高的IR2304作為驅動(dòng)芯片，具有電源欠壓保護和關(guān)斷邏輯功能，與以前的電源相比，只增加了有限的成本，但系統的穩定性大大提高了，頻率的精度提高了，輸出電壓更穩定，當負載由最輕至300W變化時(shí)，輸出電壓變化<1％。變壓器輸出既可在主變壓器上采用多抽頭，也可接二級變壓器來(lái)得到不同電壓的獨立輸出。