基于UC3875的ZVZCSPWM软开关直流电源的研制

第４５卷第４期２００８年７月真空ＶＡＣＵＵＭＶｏｌ．４５，Ｎｏ．４Ｊｕｌ．２００８收稿日期：２００８－０２－０５作者简介：牟翔永（１９７９－），男，四川省宜宾县人，硕士。

联系人：陈庆川，研究员，博导。

基于ＵＣ３８７５的ＺＶＺＣＳＰＷＭ软开关直流电源的研制牟翔永１，陈庆川１，朱明２（１．核工业西南物理研究院，四川成都６１００４１；２．成都普斯特电气有限责任公司，四川成都６１００４１）摘要：本文介绍了移相谐振控制器ＵＣ３８７５的电气特性与基本功能，详细分析了以ＵＣ３８７５作为控制核心设计的一台１．２ｋＷ、７０ｋＨｚ的移相式ＺＶＺＣＳＰＷＭ软开关直流电源，并运用ＰＳｐｉｃｅ进行了仿真，给出了该电源控制电路、主电路基本电路拓扑，列出了相关参数的仿真波形与实验波形。

关键词：ＵＣ３８７５；ＺＶＺＣＳ；软开关中图分类号：ＴＭ４５文献标识码：Ａ文章编号：１００２－０３２２（２００８）０４－０１０１－０５ＵＣ３８７５－ｂａｓｅｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆＺＶＺＣＳＰＷＭＳｏｆｔＳｗｉｔｃｈｉｎｇＤＣｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙＭＵＸｉａｎｇ－Ｙｏｎｇ１，ＣＨＥＮＱｉｎｇ－Ｃｈｕａｎ１，ＺＨＵＭｉｎｇ２（１．ＳｏｕｔｈｗｅｓｔｅｒｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＰｈｙｓｉｃｓ，Ｃｈｅｎｇｄｕ６１００４１，Ｃｈｉｎａ；２．ＣｈｅｎｇｄｕＰｕｌｓｅｔｅｃｈＥｌｅｃｔｒｉｃＣｏ．，Ｌｔｄ，Ｃｈｅｎｇｄｕ６１００４１，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＤｅｓｃｒｉｂｅｓｔｈｅｅｌｅｃｔｒｉｃｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓａｎｄｂａｓｉｃｆｕｎｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｐｈａｓｅｓｈｉｆｔｒｅｓｏｎａｎｔｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒＵＣ３８７５．Ａｎ１．２ｋＷｐｈａｓｅｓｈｉｆｔｆｕｌｌ－ｂｒｉｄｇｅＺＶＺＣＳＰＷＭＤＣ／ＤＣｓｏｆｔ－ｓｗｉｔｃｈｉｎｇＤＣｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙａｔ７０ｋＨｚｗｉｔｈＵＣ３８７５ａｓｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇｃｏｒｅｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄａｎｄｂｕｉｌｔｕｐ，ｗｈｉｃｈｗａｓｓｉｍｕｌａｔｅｄｗｉｔｈＰＳｐｉｃｅ．Ｔｈｅｔｏｐｏｌｏｇｉｅｓｏｆｂｏｔｈｃｏｎｔｒｏｌａｎｄｍａｉｎｃｉｒｃｕｉｔｓａｒｅｐｒｅｓｅｎｔｅｄｗｉｔｈｔｈｅｗａｖｅｆｏｒｍｓｏｆｒｅｌｅｖａｎｔｐａｒａｍｅｔｅｒｓｆｒｏｍｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｇｉｖｅｎ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＵＣ３８７５；ＺＶＺＣＳ；ｓｏｆｔ－ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ目前，中、大功率开关电源的主电路基本上都是采用全桥变换器结构，其相应的软开关工作方式有三种，即零电压开关（ＺＶＳ）、零电流开关（ＺＣＳ）和零电压零电流开关（ＺＶＺＣＳ）。

ＺＶＳ工作模式下全桥变换器的滞后臂不易实现零电压开关且存在变压器副边电压占空比丢失，ＺＣＳ工作模式下全桥变换器的滞后臂不易实现零电流开关且存在变压器副边输出电流占空比丢失，这两种电路拓扑自身的局限限制了其进一步发展的空间，虽然采用辅助电路在一定程度可以改善其特性，但是增加了元器件和电路的复杂性，而且在高频下还会引入干扰。

ＺＶＺＣＳ软开关工作模式基本上克服了ＺＶＳ和ＺＣＳ软开关模式的固有缺陷，使全桥变换器的超前臂实现ＺＶＳ，而滞后臂实现ＺＣＳ，在中、大功率开关电源中具有广阔的应用前景。

为此，本文介绍了一台采用移相谐振控制器ＵＣ３８７５作为控制核心设计的开关频率为７０ｋＨｚ、输出功率１．２ｋＷ、主电路为移相全桥ＺＶＺＣＳＰＷＭ软开关模式的直流开关电源。

１ＵＣ３８７５电气特性与功能在中、大功率直流开关电源中，多采用移相全桥ＰＷＭ软开关变换器作为主电路，它既能实现功率开关管的软开关，又能实现移相恒频ＰＷＭ控制，是直流开关电源实现高频化的理想拓扑之一。

移相谐振控制器ＵＣ３８７５就是专门针对移相控制设计的、能够驱动一个全桥功率变换器的ＰＷＭ控制与驱动集成电路，既可以实现电压控制，也可以实现电流控制，在实际应用中开关频率可达１ＭＨｚ、实现占空比０～１００％的平滑调节，并且驱动同一桥臂两只开关管的脉冲信号导通延时（既死区时间）可单独调节，该控制器还设有欠电压锁定（ＵＶＬＯ）电路、过电流保护电路、软启动电路、５Ｖ高精度基准电压源、增益带宽１０ＭＨｚ的误差放大器、斜坡电压发生器和斜率补偿电路。

其ＤＩＰ－２０封装各管脚功能如图１。

ＵＣ３８７５的工作电源有两个：ＶＩＮ和ＶＣ。

ＶＩＮ真空ＶＡＣＵＵＭ第４５卷给芯片内部逻辑电路供电，与信号地ＧＮＤ对应，正常工作时，ＶＩＮ供电电压应当高于１２Ｖ；ＶＣ是输出极工作电源，与电源地ＰＷＲＧＮＤ对应，ＶＣ电压在３Ｖ以上控制器输出就能正常工作，在１２Ｖ以上工作性能会更好，一般可以把ＶＩＮ和ＶＣ接到同一个１２Ｖ以上的直流电源。

ＶＩＮ和ＶＣ应分别外接等效串联电阻和电感都很小的高频滤波电容到相应的工作地。

ＧＮＤ和ＰＷＲＧＮＤ应在某一点相连以减小噪声干扰和减小直流压降。

图１ＵＣ３８７５各管脚功能Ｆｉｇ．１Ｅａｃｈｐｉｎ＇ｓｆｕｎｃｔｉｏｎｏｆＵＣ３８７５ＵＣ３８７５还提供了一个５Ｖ的高精度基准电压源ＶＲＥＦ，可提供大约６０ｍＡ的电流，内部设有短路限流保护，应用中ＶＲＥＦ与ＧＮＤ之间应接入等效串联电阻和电感都很小的０．１ｕＦ电容。

ＵＣ３８７５输出的四个驱动脉冲信号ＯＵＴＡ、ＯＵＴＢ、ＯＵＴＣ、ＯＵＴＤ可用于驱动全桥变换器的四只功率开关管，四个输出均为图腾柱方式，具有２Ａ峰值电流的驱动能力，可以直接驱动中小功率ＭＯＳＦＥＴ或ＩＧＢＴ，或者将驱动信号进行功率放大，驱动大功率ＭＯＳＦＥＴ或ＩＧＢＴ。

ＵＣ３８７５基本功能：供电电源ＶＩＮ电压必须高于欠压锁定（ＵＶＬＯ）门槛电压１０．７５Ｖ，当ＶＩＮ低于１０．７５Ｖ时，四个输出驱动信号全为低电平，同时基准电压ＶＲＥＦ将低于４．７５Ｖ而不能正常工作，在ＶＲＥＦ没有达到４．７５Ｖ之前，其它电路均处于关闭状态，一般设置ＶＩＮ到１２Ｖ以上。

振荡频率决定于接在频率设置端ＦＲＥＱＳＥＴ与信号地ＧＮＤ之间的定时电阻（ＲＴ）和定时电容（ＣＴ），从而设置输出极的开关频率，振荡频率ｆ＝４／ＲＴＣＴ（Ｈｚ），ＵＣ３８７５输出驱动脉冲信号的频率为振荡器频率的一半。

在电压模式控制中，ＲＡＭＰ端与信号地ＧＮＤ之间接一电容ＣＲ，斜率设置脚ＳＬＯＰＥ与某一恒定电源ＶＸ（基准电压ＶＲＥＦ或ＶＩＮ）之间接一电阻ＲＳ，则为ＲＡＭＰ端提供一电流为ＶＸ／ＲＳ的恒流源，在电容ＣＲ上就会形成一具有恒定频率的斜坡电压。

对于电流模式控制，ＳＬＯＰＥ端接地，ＲＡＭＰ端作为直流采样输入到ＰＷＭ比较器，斜坡发生器不再起作用。

误差放大器非同相输入端ＥＡ－通常接电源输出电压的采样输出端，同相输入端ＥＡ＋通常接基准电压，实现与ＥＡ－端输出电压采样信号的比较，误差放大器输出端Ｅ／ＡＯＵＴ接到ＰＷＭ比较器的一端，通过Ｅ／ＡＯＵＴ端可实现对整个系统的反馈增益控制。

软启动端ＳＯＦＴＳＴＡＲＴ与信号地ＧＮＤ之间接一个电容，当ＶＩＮ低于欠压锁定门槛电压时，ＳＯＦＴＳＴＡＲＴ端将保持地电位；当电流检测端ＣＳ＋电压高于２．５Ｖ时，四个输出ＯＵＴＡ、ＯＵＴＢ、ＯＵＴＣ、ＯＵＴＤ全部为低电平，并将软启动ＳＯＦＴＳＴＡＲＴ端的电压拉到零；当ＣＳ＋端电压低于２．５Ｖ时，电流比较器输出低电平，软启动端ＳＯＦＴＳＴＡＲＴ的电压从零开始上升，输出ＯＵＴＡ、ＯＵＴＢ、ＯＵＴＣ、ＯＵＴＤ的移相角从零开始增大；在实际应用中，也可以把ＣＳ＋端用作一个故障保护电路，比如输出过压、输入欠压、器件过热等，当这些故障发生时，通过一定的电路转换成高于２．５Ｖ的电压，接到ＣＳ＋端，即可实现对电源系统的保护。

输出端口ＯＵＴＡ／ＯＵＴＢ和ＯＵＴＣ／ＯＵＴＤ输出的脉冲信号的死区时间是通过分别调节输出延迟控制端ＤＥＬＡＹＳＥＴＡ－Ｂ和ＤＥＬＡＹＳＥＴＣ－Ｄ与信号地ＧＮＤ之间并接的电阻来实现的；假设输出延迟控制端电压为ＶＤＥＬＡＹ，接到ＧＮＤ的电阻为ＲＤＥＬＡＹ，则输出延迟控制端到信号地的电流ＩＤＥＬＡＹ＝ＶＤＥＬＡＹ／ＲＤＥＬＡＹ，输出延迟时间ｔＤＥＬＡＹ＝６２．５×１０－１２／ＩＤＥＬＡＹ（ｓ），ＵＣ３８７５资料推荐ＩＤＥＬＡＹ取值范围：２５μＡ～１ｍＡ，也就是说ＯＵＴＡ、ＯＵＴＢ之间或ＯＵＴＣ、ＯＵＴＤ之间的死区时间可以设置的范围是６２．５ｎｓ～２．５μｓ。

ＵＣ３８７５四个输出的移相功能是通过控制器内部设置的触发器分频后得到两个１８０°互补的方波信号来实现的，ＯＵＴＡ和ＯＵＴＢ的相位分别超前于ＯＵＴＣ和ＯＵＴＤ，之间相差一个移相角，移相角的大小决定于误差放大器的输出Ｅ／ＡＯＵＴ与斜坡电压的交截点。

四个输出驱动信号的逻辑时序如图２。

图２输出的逻辑时序Ｆｉｇ．２Ｔｈｅｌｏｇｉｓｔｉｃｓｅｑｕｅｎｃｅｏｆｏｕｔｐｕｔｓ１０２・・第４期牟翔永，等：基于ＵＣ３８７５的ＺＶＺＣＳＰＷＭ软开关直流电源的研制２移相式ＺＶＺＣＳＰＷＭ软开关电源主电路分析在设计制作的１．２ｋＷ（４８０Ｖ／２．５Ａ）的软开关直流电源中，其主电路为全桥变换器结构，四只开关管均为ＭＯＳＦＥＴ，采用移相ＺＶＺＣＳＰＷＭ控制，即超前臂开关管实现ＺＶＳ、滞后臂开关管实现ＺＣＳ，电路结构如图３，Ｍ１～Ｍ４是全桥变换器的四只ＭＯＳＦＥＴ开关管，Ｄ１、Ｄ２分别是超前臂开关管Ｍ１、Ｍ２的反并超快恢复二极管，Ｃ１、Ｃ２分别是为了实现Ｍ１、Ｍ２的ＺＶＳ设置的高频电容，Ｄ３、Ｄ４是反向电流阻断二极管，以实现滞后臂Ｍ３、Ｍ４的ＺＣＳ，Ｌｌｋ变压器漏感，Ｃｂ阻断电容，Ｔ为主变压器，副边由Ｄ５～Ｄ８构成的高频整流桥以及Ｌｆ、Ｃ３、Ｃ４等滤波器件组成。

图３主电路拓扑Ｆｉｇ．３Ｔｈｅｔｏｐｏｌｇｙｏｆｍａｉｎｃｉｒｃｕｉｔ其基本工作原理如下：当开关管Ｍ１、Ｍ４或Ｍ２、Ｍ３同时导通时，电路工作情况与全桥变换器的硬开关工作模式情况一样，主变压器原边向负载提供能量。

通过移相控制，在关断Ｍ１时并不马上关断Ｍ４，而是根据输出反馈信号决定的移相角，经过一定时间后再关断Ｍ４，在关断Ｍ１之前，由于Ｍ１导通，其并联电容Ｃ１上电压等于Ｍ１的导通压降，理想状况下电压为零，当关断Ｍ１时刻，Ｃ１开始充电，由于电容电压不能突变，因此，Ｍ１即是零电压关断。

由于变压器漏感Ｌｌｋ以及副边整流后滤波电感的作用，Ｍ１关断后，原边电流不能突变，继续给Ｃｂ充电，同时Ｃ２也通过原边放电，当Ｃ２电压降到零后，Ｄ２自然导通，这时开通Ｍ２，则Ｍ２即是零电压开通。

当Ｃ１充满电、Ｃ２放电完毕后，由于Ｄ２是导通的，此时加在变压器原边绕组和漏感上的电压为阻断电容Ｃｂ两端电压，原边电流开始减小，但继续给Ｃｂ充电，直到原边电流为零，这时由于Ｄ４的阻断作用，电容Ｃｂ不能通过Ｍ２、Ｍ４、Ｄ４进行放电，Ｃｂ两端电压维持不变，这时流过Ｍ４电流为零，关断Ｍ４即是零电流关断。

关断Ｍ４以后，经过预先设置的死区时间后开通Ｍ３，由于电压器漏感的存在，原边电流不能突变，因此Ｍ３即是零电流开通。