全桥移相软开关PWM控制电路的研究

全桥移相软开关PWM控制电路的研究

燕贤青，刘百芬，吕涛

华东交通大学电气与电子工程学院，南昌 (330013)

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摘 要：本文介绍了一种全桥移相软开关PWM控制电路，着重讨论了以UC3875芯片作为全桥移相软开关的控制电路，根据该芯片强大的集成电路和多种功能的优越性，设计了UC3875的外接控制电路，并用实验验证了该控制电路对全桥移相软开关控制的快速性和稳定性，而且对功率开关管实现了零电压关断（ZVS）。

关键词: 全桥移相软开关；UC3875；PWM控制电路；ZVS

中图分类号：TP17 文献标识码：A

1. 引言

传统的全桥PWM变换器适用于输出低电压大功率的情况，以及电源电压和负载电流变化大的场合。其优点是开关频率固定，便于控制。为了提高变换器的功率密度，减少单位输出功率的体积和重量，需将开关频率提高。将谐振变换器与PWM技术结合起来构成软开关PWM控制方案，既能实现功率开关的软开关特点，又能实现恒频控制，是当今电力电子技术领域研究热点之一。在DC／DC变换器中，则多采用以全桥移相控制软开关PWM变换器，它是直流电源实现高频化的理想拓扑之一，尤其是在中、大功率变换器应用场合。用软

本文介绍的是由UC3875芯片作开关技术实现的DC／DC变换器其效率可达90％ 以上。

为该变换器的控制电路进行分析研究。 [1]

2. 全桥移相谐振电路

传统的PWM型开关电源具有控制简单的优点，缺点是开关损失随开关频率的提高而增加。造成PWM变换器开关损失较大的原因是：a．开关器件的通、断都是强制的；b．开关器件是非理想的，即开和关不能瞬间完成，都需要一定时间；c．开关器件及与之相连的器件都有寄生参数，使通过开关器件的电压和电流不是纯方波，功率管在开、关过程中会产生开关器件的电压、电流波形交叠现象，从而产生开关损失。随着频率的增加，开关损失在全部损失中所占比例也随着增加。移相式PWM控制器能较好地克服传统PWM技术的缺点，它通过移相使全桥的四个开关轮流导通。在同一桥臂的两个开关管轮流导通过程中，通过变压器的漏感与开关管的输出寄生电容组成谐振腔使电容上的电压以最快的速度放电，保证开

而UC3875关管处于零电压开关状态(ZVS)，从而避免了开关工作过程中电压电流的重叠。

是美国UNITRODE公司针对移相控制方案推出的专用芯片，这里就UC3875为例，将其应用作一介绍。 [2]

3. UC3875控制芯片

UC3875是用于移相全桥型软开关电源控制的集成PWM控制器，可对全桥开关的相位进行相位移动，实现定频脉宽调制控制。UC3875其外型有20引脚封装和28引脚封装，在此以20引脚为例介绍一下该器件。 [3]

3.1 内部结构方框图和管脚功能

UC3875内部结构方框图如下：

[4]

图1 UC3875内部结构方框图

管脚功能如下：1脚（Vref），基准电压；2脚（E/A OUT），误差放大器的反相输出；3脚（E/A-）误差放大器的反相输入；4脚（E/A+）误差放大器的同相输入；5脚（C/S+）电流检测；6脚（SOFRSTART）软起动；7脚（DELAY SET C/D）输出延迟控制；8脚（OUT D）输出D；9脚（OUT C）输出C；10脚（Vcc）电源电压；11脚（Vin）芯片供电电源；12脚（PWR GND）电源地；13脚（OUT B）输出B；14脚（OUT A）输出A；15脚（DELAY SETA/B）输出延迟控制；16脚（FREQ SET）频率设置端；17脚（CLOCK/SYNC）时钟/同步；18脚（SLOPE）陡度；19脚（斜波）20脚（信号地）。

3.2 UC3875的工作原理

1脚输出+5V基准电压，可作为内部或外部电路的其他元件的电源。2脚作为电压反馈控制端，当引输出信号高到一定值时，由内部RS触发器及门电路作用使C输出与A输出反相，即A、C输出信号移相180度；同样，当引脚2输出信号低于1V时，通过内部RS触发器及门电路作用使C输出与A输出同相，即A、C输出信号移相0度。可见通过控制引脚2端的输出可以控制A、C间相位在0-180度之间变化。B、D的工作原理与A、C相似。3脚作为误差放大器的反相输入端，通常利用分压电阻检测输出电源电压。4脚作为误差放大器的同相输入端，和1脚基准电压相连，检测3脚的输出电源电压。5脚作为电流检测端，其基准设置为内部固定

2.5V，当电压超过2.5V时输出即被关断，软起动6脚复位，即可实现过流保护。7脚和15脚作为输出延迟控制端，通过设置该脚对地之间的电流来设置死区，加在同一桥臂两管驱动脉冲之间，以实现零电压开通时的瞬态时间。8、9、13、14脚作为输出端，可驱动MOSFET和变压器。10脚作为电源电压端，为输出级提供所需电源。11脚作为芯片供电电源，为芯片内部数字、模拟电路部分提供电源，内部有欠压锁定电路，其开启阈值为10.75V，关闭阈值为

9.25V。开启和关闭之间有1.5V的回差，可有效防止电路在阈值电压附近工作时的跳动。16脚作为频率设置端，需外接电阻和电容来设置振荡频率。17脚作为输出时，提供时钟信号；作为输入，提供同步点。18脚作为陡度端，需外接一个电阻以产生斜波。19脚作为斜波端，需外接电容到地。20脚作为信号地，是所有电压的参考基准。

3.3 UC3875的外接控制电路

图2 UC3875控制电路[5]

UC3875的核心是相位调制器, 其13脚B输出信号与14脚A输出信号反相, 9脚C输出信号与8脚D输出信号反相, 这四个驱动信号经扩流后由驱动变压器去驱动四个开关MOS管。相位控制的特点体现在UC3875的四个输出端具有相同的驱动脉冲分别驱动A／B、C／D两个半桥，通过移相错位控制有源时间，使全桥的四个开关轮流导通。每个输出级导通前都有一个死区，而且可以调整死区时间。在该死区时间内确保下一个功率开关器件的输出电容放电完毕，为即将导通的开关器件提供电压开通条件。因此，每对输出级（A/B，C/D）的谐振开关作用时间，可以单独控制。在全桥变换拓扑模式下，移相控制的优点得到最充分的体现。UC3875在电压模式和电流模式下均可工作，并具有过电流关断以实现故障的快速保护。图3为移相全桥PWM控制电路的理论波形。

CT

SYNC

FREQ

OUT A

OUT B

DLY A/B

OUT C

OUT D

DLY C/D

PWM A/D

PWM B/CT[6]

图3 移相全桥PWM控制电路的理论波形

4. 实验结果

在分析了UC3875的管脚功能和工作原理的基础上，制作了一台移相全桥变换器样机以验证芯片的功能的正确性。实验电路的主要电量参数为：输入交流电压220V，直流输出电压24V，功率为500W，开关器件选用MOSFET IXTH25N60，并联电容选用1000 pF/630 V，

谐振电感选用30µH，开关频率取20KHz，变压器原边N1取57，副边N2取7。图6和图7中的vgs1和vgs2分别为超桥臂功率开关S1与滞后桥臂S2的驱动信号波形; vDs1和vDs4分别为S1与S4漏源极之间的电压波形。从驱动信号与漏源电压的对应关系可以看出，功率开关实现了ZVS。图8为电压闭环时，负载输出突变时电压和电流的对应关系。从图8中可以看出所选择的调节器参数较好地满足了系统的快速性和稳定性。

图4 超前桥臂S1与S2的驱动信号（10V/div） 图5 S1与S4的驱动信号（10V/div）

图6 vgs1和vDs1（vgs1：10V/div； 图7 vgs4和vDs4（vgs4：10V/div ；vDs1：

200V/div）

vDs4：200V/div）

图8 负载突变时闭环输出电压与电流波形（电压：10V/div ；电流：1A/div ）

5. 结论

本文介绍了由UC3875芯片作为控制电路的移相全桥软开关电源，由于开关管在ZVS条件下运行，可实现高频化，而且控制简单，性能可靠，适用于大功率场合。且能保持恒频运行，就不会同时出现大电压、大电流，减少了开关所受的应力，实现了高效化。大大减小了电源的体积。

参考文献

[1] 邵雨达,基于移相全桥软开关的20A（5—48V）恒流源[D].南京航空航天大学硕士学位论文 2005.2.

[2] 鞠文耀,相移软开关PWM技术的研究[D].南京理工大学硕士学位论文 2003.12.

[3] 周志敏,开关电源实用技术-----设计与应用[M].人民邮电出版社 2003.8.

[4] 杨旭、裴云庆、王兆安编著.开关电源技术[M].机械工业出版社 2004.1.

[5] 张鹰峰,李少林 刘海浪等.移相全桥软开关电源设计[J].机械工程与自动化 2007.10.

[6] 李伟东,全桥移相软开关电源超前和滞后桥臂实现ZVS的研究[J].山西电子技术 2004.

The design of full-bridge phase-shift soft switching PWM

control circuit

Yan Xianqing, Liu Baifen, Lv Tao

East China JiaoTong University Institute of Electrical and Electronic Engineering,

Nanchang （330013）

Abstract

In this paper, introduced a full-bridge phase-shift soft-switching PWM control circuit, focused on the chip use UC3875 as a full-bridge phase-shift soft-switch control circuits, according to the powerful integrated circuit chips and multi-functional advantages, designed the external control circuit of the UC3875, and used experimental not only verification of the control circuit for full-bridge phase-shift control of the soft-switching speed and stability, but also to the power switch to achieve the zero-voltage shutdown.

Keywords: full-bridge phase-shift soft switching; UC3875; PWM control circuit; ZVS

作者简介：

燕贤青（1984年出生），男，江西省九江市，06级研究生，研究方向：检测技术，电子技术；

刘百芬（1957年生），男，湖南省涟源市，现任华东交通大学教授，检测技术与自动化装置学科学术带头人、江西省自动化学会理事。主要从事检测技术、电子技术和电力电子技术的研究，发表学术论文20余篇，编写专著3部，参加课题研究近20项。其中“新型硅机组均流压装置”等三项成果通过省鉴定，获省科技进步三等奖1项。曾三次被评为“二级主讲教师”，获得过省教学成果二等奖1项，校教学成果二等奖2项；

吕涛（1983年出生），男，河北省保定市，06级研究生，研究方向：检测技术，电子技术。