移相全桥DC/DC变换器双闭环控制系统设计

宋 杰

（西南大学 工程技术学院，重庆400716）

随着我国电源行业的发展，在中大功率应用场合，采用PWM控制技术的移相全桥DC/DC变换器越来越受到人们的关注，随着PWM控制技术逐渐向高频化方向发展，全球各大集成电路生产商竞相研制出各种新型的PWM控制器件，其中TI公司推出的UCC3895是一款具有代表性的移相全桥控制器件。该器件既可以工作于电流模式也可以工作于电压模式，又可以为谐振零电压开关提供高频、高效的解决方案，具有广阔的应用前景。这里基于UCC3895设计了移相全桥DC/DC变换器的双闭环控制系统，并结合实际应用对该系统进行了实验测试。

1 移相全桥DC/DC变换器闭环系统工作原理

移相全桥DC/DC变换器闭环系统结构框图如图1所示。

图1 移相全桥DC/DC变换器闭环系统结构框图

直流输入电压经过全桥逆变、高频变压器降压、输出侧整流滤波得到所需的直流电压。四路PWM波配置为两组，PWM1、PWM2为一组，用来控制全桥逆变模块的超前臂；PWM3、PWM4为另一组，控制滞后臂。PWM1与PWM2互补，PWM3与PWM4互补，可通过UCC3895设置合适的死区时间。该闭环控制电路采用峰值电流模式，外环电压调节器的输出作为电流内环的基准，在电流环中对采样的电流进行斜坡补偿，以保证占空比大于50%的时候，系统仍能稳定工作。电流环的输出作为调制信号，通过脉宽调制电路、移相电路、隔离驱动电路实现对系统的闭环控制[1]。

2 闭环控制电路设计

2.1 控制模式

闭环系统采用恒定导通时刻峰值电流控制方式，可以实现逐个脉冲控制，动态响应速度快，稳定性好，并且易于实现限流及过流保护。工作原理框图如图2所示。

图2 恒定导通时刻峰值电流控制工作原理框图

外环误差放大器输出的误差放大电压Ue与外加的补偿锯齿波Ux合成倒锯齿波Uc作为内环PWM比较器的基准，当开关管电流检测信号Us的峰值达到Uc时,触发器翻转，开关管关断，从而减小输出电流[2]。

2.2 硬件电路设计

控制部分硬件电路如图3所示。电压外环误差放大器采用新型光隔离误差放大器FOD2741，将UCC3895的引脚1（EAN）和引脚2（EAOUT）连接在一起，使内部的误差放大器构成电压跟随器，跟踪PI调节器输出的误差电压，并将其输入至内部PWM比较器的同相输入端，作为电流环的基准[5-6]。

图3 控制部分硬件电路

图3中，通过R5和R6设置输出取样电压，R5、R6与输出电压Vout满足：

R1和 R7控制光耦的增益[3]， C1、 C2、 C3和 R1、 R2、 R3与FOD2741组成双零点、双极点的PI补偿网络。

在电流内环中加入斜坡补偿以保证系统的稳定性。斜坡补偿信号以电压跟随的形式，从RC振荡器中引入，其中加入上拉电阻R8为补偿的锯齿波提供直流偏压，解决启动或轻载时UCC3895输出波形的不对称问题[4]。图中电流检测信号Is经过I-V变换电路转换成电压信号。根据叠加原理与引入的斜坡补偿信号叠加送入UCC3895的引脚3（RAMP），作为内部PWM比较器的反相输入。通过内部限流比较器及过流比较器实现逐周期限流及过流保护，当2 V2.5 V时，进入过流保护模式。

3 实验结果

将该控制系统应用于一台1.5 kW的电源中，设计参数如下：输入电压为直流144 V，输出14 V直流电压，高频变压器原、副边匝数比为15：2，开关频率为50 kHz，输出滤波电感为 22 μH，滤波电容为 2 820 μF ，负载为 0.14 Ω。 补偿网络参数为：R1=1 kΩ、R2=68 Ω、R3=40 Ω、C1=1.2 nF、C2=47 pF、C3=82 nF。在移相控制占空比的过程中，全桥逆变器的驱动波形及高频变压器副边的输出波形如图4所示。

图4 实验测试波形

4 结束语

本文基于UCC3895设计了移相全桥DC/DC变换器双闭环控制系统，其中加入补偿校正环节，使系统在交越频率处的相位裕度大于45°，从而达到稳定状态。结合实际应用对该系统进行实验测试，结果表明，系统动态响应快，稳定性好。

[1]张云安，孙 强，王 阳，等.基于UCC3895控制的移相半桥三电平变换器闭环系统[J].电气传动，2008，38（2）：31-34.

[2]刘凤君.现代高频开关电源技术及应用[M].北京：电子工业出版社，2008.

[3]Michael O’Loughlin，Nashua NH.Shunt regulator serves as inexpensive op amp in power supplies[J].EDN，2005，15（9）：32-35.

[4]Steve Mappus.UCC3895 OUTC/OUTD asymmetric duty cycle operation [R].Texas Instruments Application Report，SLUA275，September 2002.

[5]Texas Instruments.BICMOS advanced phase-shift PWM controller[EB/OL].2008.http：//focus.ti.com/lit/ds/symlink/ucc38 95.pdf.

[6]Texas Instruments.Using the UCC3895 in a direct control driven synchronous rectifier applications[EB/OL].2009.http：//focus.ti.com.cn/cn/lit/ug/sluu109b/sluu109b.pdf.