倪小康

(船舶重工集團公司723所,揚州225001)

0 引 言

鉗位技術有2種:無源鉗位和有源鉗位。無源鉗位技術的缺點是開通損耗或通態(tài)損耗較大。有源鉗位變換器可以使正激變換器磁芯的工作范圍從第一象限擴展到第三象限,從而提高了磁芯的有效利用率;同時可以實現(xiàn)零電壓開關(ZVS),降低功率開關管的開通損耗和應力。隨著脈寬調制(PWM)變換器輸出的電壓不斷降低,同步整流技術的應用引起了人們極大的重視。與肖特基勢壘二極管相比,同步整流具有正向壓降小、阻斷電壓高、反向電流小等突出優(yōu)點,可以顯著提高開關電源的效率。

本文介紹了專為有源鉗位變換器設計的控制器UCC2892和正激變換器次級同步整流及同步續(xù)流的金屬-氧化物-半導體場效應晶體管(MOSFET)驅動器LTC3900,對基于控制器 UCC2892和驅動器LTC3900實現(xiàn)直流48 V輸入,12 V/20 A輸出的有源鉗位正激開關電源進行了設計分析。

1 設計方案

確定有源鉗位ZVS PWM正激變換器作為主電路拓撲,主要基于以下幾點考慮:

(1)主開關管和鉗位開關管均可以實現(xiàn)零電壓開通;

(2)主開關管被鉗位,減小電壓應力;

(3)變壓器磁芯能可靠地自動復位,不需要另加磁復位措施;

(4)很多的芯片制造公司也都瞄準了這一電路,研發(fā)出大量的PWM控制芯片,因此有足夠的選擇余地;

(5)逾越了50%占空比的限制,變壓器的勵磁電流可以沿正負方向流動,雙向磁化,磁芯工作于磁化曲線的第一和第三象限,提高了變壓器的利用率;

(6)該拓撲結構同步整流應用場合具有死區(qū)時間短、驅動簡單等優(yōu)點,非常適宜于低壓、大電流應用場合。原邊有源鉗位副邊同步整流正激開關電源原理框圖如圖1所示。

圖1 原理框圖

上述開關電源的工作原理為:輔助電源提供UCC2892和LTC3900的工作電壓,直流48 V經濾波后供給功率變換電路;然后,UCC2892的12腳和13腳產生高頻脈沖信號經隔離驅動后控制功率開關管的導通、截止,從而把輸入直流電壓變換成高頻脈沖電壓,經變壓器降壓;LTC3900接收經轉換后的同步脈沖后,3腳和5腳輸出兩路互補的同步整流和同步續(xù)流驅動信號來實現(xiàn)次級的同步整流,經輸出電感電容濾波產生輸出電壓;最后由于該輸出電壓是不穩(wěn)定的,只有取樣后通過誤差放大,反饋到脈寬調制器的9腳FB,即調控高頻脈沖信號的寬度,形成一個閉環(huán)系統(tǒng),才能穩(wěn)定輸出電壓。

2 主要參數(shù)設計

2.1 UCC2892和LTC3900工作參數(shù)設計

2.1.1 開關頻率和最大占空比設置

通過設置UCC2892的2腳RTON和3腳RTOFF電阻值可以設置電源開關頻率 fs和最大占空比,可用下列公式計算:式中:ton為開關導通時間;toff為開關閉合時間;Ts為開關頻率周期為匹配電阻。

本設計采用100 kHz開關頻率和60%最大占空比,由上述公式可以算出 Ron=160 kΩ和Roff=250 kΩ。

2.1.2 鉗位和主開關管驅動信號延遲時間設置

UCC2892的1腳電阻確定了延遲時間,可以由以下公式來計算延遲時間:

通過調節(jié)RDEL管腳電阻值大小,可以調整延遲時間,獲得最佳的工作狀態(tài),實現(xiàn)零電壓開通。

2.1.3 L TC3900定時器電路設計

可編程的定時輸出功能,當同步信號丟失或不正常時,它能讓2路驅動器失效。定時輸出的周期是由和7腳連接的電阻Rt和電容Ct的數(shù)值來確定的,它與供電電壓值無關,芯片內部設置定時輸出門限與供電電壓的比例系數(shù)為0.2。定時輸出的周期應該編程在大約等于原邊開關頻率的1個周期左右,可以利用以下公式計算:

取Ct=1 000 pF,算出 Rt=50 kΩ。

2.1.4 L TC3900電流傳感器保護門限設置

芯片可以傳感輸出電感的電流,在續(xù)流開關管的漏極和源極分別接2只電阻,當電感器電流反向時,關斷開關管?？梢杂孟铝泄接嬎銏D1中電阻RCS1、RCS2、RCS3數(shù)值,以滿足門限電平和鉗位電壓要求 ,設 K=48IRRDS-1,則 :

式中:IR為電感的峰值紋波電流;RDS為續(xù)流管導通電阻在IR/2時的數(shù)值;Vimax為變換器初級最大輸入電壓;Np為初級匝數(shù);Ns為次級匝數(shù);Ns/Np為主變壓器的變比。

2.2 主功率變壓器和輸出濾波電感設計

2.2.1 主功率變壓器設計

首先根據功率容量 Ap的乘積公式進行估算,由公式計算得到:

式中:PT為變壓器輸出的標稱功率;η為初次級效率;Bmax為最大工作磁通密度;Km為窗口中導線金屬總截面填充系數(shù);Kc為矽鋼片迭片系數(shù);δ為脈沖導通真空比。

PQ30鐵氧體磁芯的有效中心柱截面積為Ae=1.33 cm2,磁芯窗口面積為 Aq=2.52 cm2,因此PQ30的功率容量乘積為:Ap=AeAq=3.3。

在開關頻率為100 kHz時,采用PQ30鐵氧體磁芯做250 W主功率變壓器,它的功率容量是合理的。

初次級繞組匝數(shù)值可以由下列公式得出:

取初級匝數(shù)為10匝,次級匝數(shù)為5匝,次級電流比較大,采用2個繞組分兩層繞制后并聯(lián)使用。

2.2.2 輸出電感參數(shù)設計

對于輸出電感,可以先假定一個最大允許的電流紋渡ΔIl來求解電感量的大小。假定輸出電感電流的紋波峰峰值為10%的最大輸出電流,由法拉第定律來求解輸出電感Lo:

式中:Iomax為輸出的最大電流;Uo為輸出電壓;δmin為脈沖導通最小占空比。

2.3 功率開關管、同步整流管及鉗位電容選取

主開關管采用N溝道金屬-氧化物半導體(MOS)管IRFP460,鉗位開關管采用P溝道MOS管IRF6216,同步整流管采用兩只N溝道MOS管Si7370并聯(lián)使用,同步續(xù)流管采用N溝道MOS管PH4840并聯(lián)使用,鉗位電容 Cc選用參數(shù)為0.22 μ F/160 V;

2.4 電源試驗測試結果

電源輸出12 V±100 mV,負載調整率小于等于100 mV,滿載 20 A時,輸出紋波小于等于100 mV,滿載效率可達90%。

3 結束語

本文針對一款直流48 V輸入、12 V/20 A輸出、工作頻率 100 kHz、基于 UCC2892和 LTC3900的有源鉗位同步整流開關電源設計,介紹了有源鉗位軟開關技術和同步整流技術方案,同時分析了電路中主要參數(shù)的設計,給出選取原則。通過實驗驗證,滿載效率可達90%?？梢?有源鉗位軟開關技術很好地實現(xiàn)了主開關管和鉗位開關管的ZVS開通,減少了開通損耗,提高了電源效率;同時,同步整流技術的應用減小了使用常規(guī)肖特基二極管整流時的導通壓降,降低了功率損耗,從而進一步提高了電源效率。

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