徐 進(jìn)，胡哲文，劉忠寶，宋文群，文福亮

應(yīng)用研究

基于UC2843的升壓裝置設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

徐 進(jìn)，胡哲文，劉忠寶，宋文群，文福亮

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

根據(jù)某系統(tǒng)需求，本文提一種基于UC2843的寬范圍輸入、高效穩(wěn)定的升壓裝置的設(shè)計方案。詳細(xì)介紹BOOST拓?fù)涞闹骰芈冯娐罚琍WM控制芯片UC2843和MOS管驅(qū)動芯片TPS2814的外圍電路。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該升壓裝置能夠滿足所有設(shè)計指標(biāo)，可穩(wěn)定高效地輸出。

寬范圍輸入 升壓裝置 PWM控制 MOS管驅(qū)動

0 引言

動力電池的輸出電壓，穩(wěn)定性較差，而應(yīng)用系統(tǒng)所需的電源電壓較高且紋波較小。因此，寬范圍輸入、大升壓比的BOOST升壓器受到了越來越廣泛的關(guān)注。然而在寬范圍輸入、大升壓比變換場合，傳統(tǒng)BOOST電路存在轉(zhuǎn)換效率低、發(fā)熱量大、紋波大、體積大等一系列問題，難以滿足系統(tǒng)使用要求。本文提出了一種基于UC2843的寬范圍輸入、高效穩(wěn)定的升壓裝置設(shè)計方案[1]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 設(shè)計需求

表1 升壓裝置設(shè)計需求

1.2 系統(tǒng)總體框架

本文所提出的升壓裝置是在BOOST拓?fù)潆娐返幕A(chǔ)上，采用PWM控制方式實(shí)現(xiàn)，主要由輸入濾波電路、儲能電感、MOS開關(guān)管、PWM控制驅(qū)動電路、輸出整流濾波電路組成[2]。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

2 主回路參數(shù)計算

BOOST拓?fù)渲骰芈肥窃贐OOST基本拓?fù)涞幕A(chǔ)上，增加了輸入濾波電路和緩沖電路，BOOST拓?fù)渲骰芈冯娐啡鐖D2所示。

圖2 BOOST拓?fù)渲骰芈冯娐?/p>

2.1 輸入濾波電路

CI1、L1、CI2組成的π型濾波電路主要是對輸入電源的電磁噪聲及雜波信號進(jìn)行抑制，防止對電源干擾，同時也防止電源本身產(chǎn)生的高頻雜波對電網(wǎng)干擾。

2.2 儲能電感L2

1）最大占空比計算

根據(jù)伏秒平衡原則得出[3]：

輸出電壓UO為200 V，輸入電壓Uin為DC80 V～DC160 V，D為占空比，由此可知Dmin=0.2，Dmax=0.6；

2）電感計算

BOOST變換器工作在電感電流臨界模式BCM時，開關(guān)截止期間電感電流從最大值正好減小到零，電流值一旦為零下一個開關(guān)周期便開始了[4]。根據(jù)BCM工作模式特性，得到：

其中I為輸出電流，f為工作頻率。本方案中BOOST電路工作于CCM 模式，電感值L應(yīng)滿足：L≥LBCM。

以上公式中占空比D均指最小占空比Dmin。結(jié)合計算結(jié)果和設(shè)計余量，儲能電感L2選取68 uH。

電感最大平均電流計算公式如下：

電感電流脈沖峰峰值計算公式如下：

從而得出主回路的峰值電流：

2.3 功率MOS管G1

功率MOS管VT所承受的最大電壓為U，因此可以根據(jù)U來選擇MOS管的電壓參數(shù)。根據(jù)元器件一級降額設(shè)計要求，MOS管額定耐壓應(yīng)≥2×UOMAX，UOMAX為200 V，MOS管的額定耐壓應(yīng)大于400 V，因此選取耐壓600 V。

功率MOS管的集電極電流約等于電感平均電流8.5 A，根據(jù)元器件一級降額設(shè)計要求，MOS管額定電流應(yīng)≥17 A。按照綜合損耗最小原則對可選MOS管G1評估，最終選型英飛凌IPW60R060P7，耐壓600 V，額定電流30 A。

為了降低或消除MOS管G1關(guān)斷時承受的電壓尖峰，主回路在BOOST拓?fù)涞幕A(chǔ)上增加了RCD吸收電路。RCD吸收電路的組成是將電阻RH1和二極管D2并聯(lián)后，再與電容CH1串聯(lián)。RH1的作用在MOS管G1導(dǎo)通時，限制CH1放電電流，并將能量轉(zhuǎn)移。D2的作用是在MOS管G1關(guān)斷時，使CH1可以經(jīng)過D2充電，而RH1則被D2短路。

2.4 二極管D1

當(dāng)MOS管G1關(guān)斷時，二極管D1給電感提供續(xù)流回路，防止不可控電壓尖峰的產(chǎn)生，二極管的反向電壓為UO，二極管的正向電流約等于輸出電流IO，根據(jù)元器件一級降額設(shè)計要求，二極管反向耐壓應(yīng)≥400 V，二極管正向電流應(yīng)≥6 A。因此選擇反向耐壓600 V，正向電流15 A的二極管MUR1560。

2.5 輸出電容CO

輸出電容會影響輸出電壓紋波的大小。MOS管G1導(dǎo)通時，輸出電容提供全部的負(fù)載電流，MOS管G1關(guān)斷時，給輸出電容充電。較大的輸出電容有利于減小輸出電壓紋波。BOOST電路工作在CCM模式下，根據(jù)電容充放電方程，得出：

輸出電容電壓等于輸出電壓，根據(jù)元器件一級降額設(shè)計要求，輸出電容的電壓應(yīng)≥400 V，因此選取120F/500 V的電容。

3 控制回路設(shè)計

根據(jù)設(shè)計需求及UC2843數(shù)據(jù)手冊，對PWM控制電路進(jìn)行設(shè)計[5]，如圖3所示。

圖3 PWM控制電路

3.1 工作頻率

由于工作頻率f=100 kHz，最大占空比max=0.6，通過UC2843的特性分析計算，最終選取R=1 K，C=12 nF。CE1為去耦電容，取0.1 uF，減小開關(guān)噪聲對UC2843輸出基準(zhǔn)源的影響。

3.2 輸出電壓反饋電路

根據(jù)設(shè)計需求，BOOST升壓裝置的輸出電壓為DC200V，其計算公式如下：

根據(jù)貼片電阻功率等級進(jìn)行降額設(shè)計，選取RK1=540 K，RK2=6.8 K。RF和CF組成RC補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)UC2843數(shù)據(jù)手冊要求，這里RF取100 K，CF取0.01 uF。

3.3 電流反饋電路

Rs為電流檢測電阻，為避免MOS管G1開通瞬間的電流尖峰引起芯片誤動作，和組成的RC電路，輸入信號經(jīng)濾波后，送入引腳Pin3，形成電流反饋環(huán)。

因此電流檢測電阻Rs選取0.05 Ω/2 W。在PCB設(shè)計時，和應(yīng)盡量靠近UC2843的引腳Pin3，選取1 K，選取100 pF。

3.4 啟動工作電壓

升壓裝置的啟動電壓由UC2843啟動所需控制電路電源電壓確定。啟動所需控制電路電壓由控制電源電路產(chǎn)生[6]，則啟動前有如下計算公式：

其中，VCC為UC2843工作電壓，即控制電路電源電壓，啟動范圍7.8 V～9 V，取中間值8.4 V；U為升壓器輸出電壓，VGS即MOS管G2小電流線性工作區(qū)，約3 V。

升壓裝置啟動前，處于直通工作狀態(tài)，U=U-1，其中，1 V為主回路二極管D1導(dǎo)通壓降評估值。

根據(jù)設(shè)計需求，升壓裝置的啟動電壓范圍為DC80 V～DC90 V，取中間值85 V，須滿足RE1與RE2的比值為6.5。

綜合考慮電阻耐壓，功率損耗等因素，RE1選取651 K，RE2選取100 K。

升壓裝置啟動后，控制電路電源電壓有如下計算公式：

其中VG為MOS管G2門極對地電壓。按照升壓裝置正常工作時VCC=10 V的要求，VG應(yīng)為13 V。VG由穩(wěn)壓管VD1確定，即穩(wěn)壓管VD1應(yīng)取13 V穩(wěn)壓值。

3.5 MOS管驅(qū)動

在UC2843的PWM輸出控制端增加MOS管驅(qū)動器TPS2814，提升MOS管驅(qū)動能力，迅速完成對于柵極輸入電容電荷的充電過程，加速了MOS管G1的關(guān)斷時間，使MOS管G1能快速開通且避免上升沿的高頻振蕩。RQ為MOS管G1驅(qū)動電阻，在PCB設(shè)計時，應(yīng)盡量靠近MOS管G1，盡量縮短高阻抗線路。在MOS管G1斷開時，為了快速保證柵極電荷的快速泄放，在驅(qū)動電阻上并聯(lián)一個電阻RQ2和一個二極管D3，同時可以抑制反向諧振尖峰。D3為快恢復(fù)二極管，使MOS管G1關(guān)斷時間減小，同時減小關(guān)斷時的損耗。RQ2是防止MOS管G1關(guān)斷時電流過大，將UC2843燒損。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在空載的情況下，逐步調(diào)高輸入電壓，升壓裝置啟動工作前，保持直通狀態(tài)，即輸出電壓約等于輸入電壓。當(dāng)輸入電壓升至88 V時，升壓裝置啟動工作，輸出電壓為201 V，滿足啟動電壓80 V～90 V的要求，帶載3 A工作。繼續(xù)調(diào)整輸入電壓至120 V和160 V，升壓裝置均可穩(wěn)定帶載工作。將輸入電壓降至80 V，升壓裝置也可穩(wěn)定輸出201 V，帶載3 A工作。升壓裝置啟動工作過程中，輸出電壓的紋波峰峰值Δ為400 mV，滿足設(shè)計指標(biāo)。

圖5 升壓裝置測試曲線

5 結(jié)束語

本文提出了一種基于UC2843的寬范圍輸入、高效穩(wěn)定的升壓裝置的設(shè)計方案，硬件部分詳細(xì)介紹了以BOOST基本拓?fù)湓O(shè)計的主回路電路及主要元器件計算及選型，控制回路選用PWM控制芯片UC2843和MOS管驅(qū)動芯片TPS2814結(jié)合。通過實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果表明，該升壓裝置能夠滿足所有設(shè)計指標(biāo)，可穩(wěn)定高效的輸出。

[1] 張士宇. 寬輸入Boost變換器研究[D]. 成都: 西南交通大學(xué), 2013.

[2] 羅鵬. 采用峰值電流模PWM控制的BOOST型DC-DC轉(zhuǎn)換器的設(shè)計[D]. 西安: 西安電子科技大學(xué), 2010.

[3] 崔樂, 李春. 基于伏秒平衡原理的Boost升壓斬波電路分析[J]. 自動化與儀器儀表, 2019, (8): 95-98.

[4] 高健, 許飛云, 賈民平, 彭森. 基于UC3843的CCM模式Boost變換器設(shè)計[J]. 電力電子技術(shù), 2010, 44(05): 34-36.

[5] 王春寧, 武浩, 陳明會. 基于UC2843的DCM模式下反激式DC-DC變換器仿真研究[J]. 通信電源技術(shù), 2018, 35(01): 9-13.

[6] 李正麗. 基于UC2843的隔離式DCDC電源設(shè)計[J].機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新, 2017, 30(05): 48-50.

The design and implementation of a boost device based on UC2843

Xu Jin, Hu Zhewen, Liu Zhongbao, Song Wenqun, Wen Fuliang

（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China）

TM46

A

1003-4862（2022）04-0049-04

2021-08-02

徐進(jìn)（1989-），男，工程師。研究方向：電源控制。E-mail: 583123043@qq.com