基于UC3844的变频器IGBT驱动电源设计

发布时间:2021-09-22 13:39:09

总第 45 卷 第 512 期 2008 年 第 08 期

电测与仪表 Electr ical Measur ement &Instr umentation

Vol.45 No.512 Aug. 2008

基于UC3844的变频器IGBT驱动电源设计

武素珍1, 王琨2
( 1. 西京学院, 西安 710123; 2. 佳木斯供电公司, 黑龙江 佳木斯 154400)

摘要: 利用电流型PWM控制器UC3844设计单端反激式IGBT驱动电源。介绍了电压型PWM

控 制 器 和 电 流 型 PWM控 制 器 的 区 别 并 详 细 说 明 电 流 型 PWM控 制 器 UC3844 的 工 作 原 理 ,

给出了单端反激式驱动电源的*私峁梗 并详细介绍外围电路的搭建和器件选取数值计

算过程。最后给出样机实验波形, 该驱动电源经长时间运行, 各项技术指标符合变频器

IGBT驱动的要求, 表明该设计方案正确、可靠, 在工程应用中具有一定的参考价值。

关键词: 驱动电源; UC3844; 变频器

中图分类号: TP211

文献标示码: B

文章编号: 1001- 1390( 2008) 08- 0057- 04

Design of power supply for inver ter ’s IGBT dr ive based on UC3844

WU Su- zhe1, WANG Kun2 ( 1. Xijing Univ., Xi′an 710123, China. 2. Jiamusi Electric Power Company, Jiamusi 154400,
Heilongjiang, China)

Abstr act: A single - end fly - back IGBT driving converter based on current - mode PWM controller is presented in this paper. The difference between Voltage- mode PWM controller and current- mode PWM controller is introduced, and the principle of UC3844 is discussed in detail. By analyzing periphery circuit, the design process and the practical parameter of the circuit. Finally, the system waveforms are present. The experiment testifies that, the power has outstanding stability, and the performance meets the demand of the inverter. The validity of this method is proved by the practical application. Key wor ds: power supply, UC3844, inverter

0引言 通用型变频器硬件设计的一个重点是驱动电源
的设计。在变频器中开关电源一般采用主回路直接供 电方式, 这样就要求设计的电源工作范围要比较宽, 需在DC200V~DC800V之间正常工作。在DC200V电源 时主要考虑电源的功率能否满足要求, 即回路的电流 问题; 在DC800V电源时主要考虑电源的耐压能否满 足要求, 即回路的电压问题。
开 关 电 源 的 控 制 电 路 可 以 分 为 电 压 型 PWM控 制 器 和 电 流 型PWM控 制 器 。 电 压 型PWM控 制 器 是 指 控 制器按反馈电压来调节输出脉宽; 电流型PWM控制 器是指控制器按反馈电流来调节输出脉宽。前者是一 个单闭环电压控制系统, 在其控制过程中电源电路中

的电感电流未参与控制, 是独立变量, 开关变换器为 二阶系统, 而二阶系统是一个有条件的稳定系统; 后 者是一个电压、电流双闭环控制系统, 电感电流不再 是一个独立变量, 从而使开关变换器成为一个一阶无 条件的稳定系统, 因而很容易不受约束地得到大的开 环增益和完善的小信号、大信号特性。为此, 应用电流 控制型芯片( 峰值电流控制) UC3844设计了一IGBT驱 动电源, 其主要技术指标为: 10路输出, 总功率60W; 工作频率为40kHz; 输入交流电压范围为380V±15%。 1 电压PWM控制器和电流型PWM控制器控制原 理及性能比较 1. 1 电压型PWM控制
电压型PWM控制系统框图如图1所示。电源输出
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反 馈 电 压 Uf与 基 准 电 压 Ug比 较 放 大 得 到 误 差 电 压 Ue。 该误差电压再与锯齿波发生器产生的锯齿波信号进 行比较,产生占空比变化的矩形波驱动信号。这种结 构属于典型的单闭环系统,缺点是控制过程中主电路 的电流没有参入输出控制。由于电感的作用,电流滞 后于电压的变化,因而系统响应速度慢,稳定性差。

(2) 负载调整率好。由于电压误差放大器可专门 用于控制占空比, 以适应负载变化造成的输出电压的 变化, 因而可大大改善负载调整率。
(3) 系统稳定性好。 2 电流型PWM控制芯片UC3844的基本原理
UC3844是 电 流 型 单 端 输 出 式PWM控 制 芯 片,其 最大占空比为50%, 具有过压保护和欠压锁定功能, 16V( 通) 和10V( 断) 的欠压锁定门限十分适合于离线 变换器。其内部框和引脚图如图3所示[2]。

图1 电压型PWM控制系统框图 1. 2 电流型PWM控制
电 流 型 PWM控 制 系 统 是 针 对 电 压 PWM型的缺点发展起来的, 它在原有的 电压环上增加了电流反馈环节, 构成电压 电流双闭环控制。内环为电流控制环,外 环为电压控制环。无论电流的变化,还是 电压的变化, 都会使PWM输出脉冲占空 比发生变化。这种控制方式可改善系统的 电压调整率, 提高系统的瞬态响应速度, 增加系统的稳定性。其控制系统框图如图 2所示。
图2 电流型PWM控制系统框图 电流型PWM是在脉宽比较器的输入端, 直接用 流过输出电感线圈电流的信号与误差放大器输出信 号进行比较, 从而调节占空比, 使输出的电感峰值电 流跟随误差电压变化而变化。由于结构上有电压环、 电流环双环系统,因此, 无论开关电源的电压调整率、 负载调整率和瞬态响应特性都有提高, 是目前比较理 想的新型PWM控制器[1]。 1. 3 电流型PWM控制的优点 (1) 电压调整率好。输入电压的变化立即引起电 感电流的变化, 电感电流的变化立即反映到电流控制 回路而被抑制。不像电压控制要经过输出电压反馈到 误差放大器, 然后再调节的复杂过程, 所以响应快。如 果输入电压的变化是持续的, 电压反馈环也起作用, 因而可以达到较高的线性调整率。

图3 UC3844 内部框图及引脚图
在图3中, 电压反馈输入和2.5V基准电压之差经 误差放大器放大后作为门限电压, 与电流取样输入经 采样后的电压, 一起送到电流取样比较器。当电流取 样电压超过门限电压后, 比较器输出高电*触发RS 触发器, 然后经或非门输出低电*, 关断功率管,并保 持这种状态直至振荡器输出脉冲到触发器和或非门 为止。这段时间的长短由振荡器输出脉冲宽度决定。 PWM信号的上升沿由振荡器决定, 下降沿由功率开 关 管 电 流 和 输 出 电 压 共 同 决 定 。 UC3844 的 振 荡 工 作 频率由引脚4与引脚8之间所接定时电阻RT、引脚4与 地 之 间 所 接 定 时 电 容CT设 定 。 计 算 公 式 为: f=1.72/ RTCT。 引 脚2是 电 压 反 馈 端,将 反 馈 电 压 加 至 误 差 放 大 器的反相输入端, 与同向输入端的2.5V基准电压进行 比较,产生误差电压。利用内部误差放大器可以构成 电压环。引脚3是电流反馈端, 电流取样电压由引脚3 输入到电流比较器。当引脚3 电压大于1V时, 输出关 闭。利用引脚3和电流比较器可以构成电流环。引脚1 是补偿端,外接阻容元件以补偿误差放大器的频率特 性; 引脚8为5V基准电压, 带载能力50 mA; 引脚6为推 挽输出端, 有拉、灌电流的能力; 引脚5为公共端; 引脚

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7为集成块工作电源端,电压范围为8.5~37V。 对于电流型控制芯片UC3844,使输出驱动信号关
断的方法有两种: 一种是将引脚1电压降至1V以下,另 一种是将引脚3电压升至1V以上。这两种方法都是使 电流比较器输出高电*, PWM锁存器复位, 关闭输出 端, 直至下一个时钟将PWM锁存器置位为止。根据这 一原理, 可以控制引脚1 、3电压的变化, 实现各种必 要的保护。 3 驱动电源*私峁
本系统采用单端反激式变换器电路, 单端反激式 变换器电路*巳缤迹此荆郏常荩郏矗荨

式中VSPIKE取20V, 则延迟时间为0.005ms。开关管导通 关断周期为1/40kHZ=0.025ms, 所以电容上储存能量 至少能够在( 0.025/2- 0.005) ms内释放给电阻。考虑到 UC3844占空比一般达不到50%, 所以取时间常数τ= 0.01ms, 则电阻取值至少为1kΩ。电容放电期间电阻 上的*均电压取为120V, 此时电阻上功耗为14.4W。 为了*衡电阻功耗、放电时间等因素, 我们最终选取 电容C为1 nF/1000V, 两个电阻的阻值为5 kΩ、额定功 耗1W的电阻。各部分电路如图5和图6所示。

图4 反激变换器电路*送

3.1 变压器原边缓冲电路设计

在反激变换器中, 开关管所受开关应力较高, 这

主要是开关管关断时漏电感引起开关管集电极电压

突然升高所致。抑制开关应力有两个方法: 一种是减

小漏电感; 另一种是耗散过压的能量, 或者使能量反

馈回电源中。本文采用了第二种方法, 在变压器原边

并联RCD缓冲器[3]。

已知该开关电源输出 功 率 为60W, 工 作 频 率 为

40kHz, 变压器漏感为0.2mH, 变压器原边峰值电流

0.46A。当开关管关断时电路会发生高频谐振而使开

关管DS两端电压升高, 但是由于漏感产生的VSPIKE的 能量能够及时转移到C2中, 而使C2的端电压从次级反 射电压VOR上升到最大值 (VOR+VSPIKE); 当开关管导通 时, C2通过电阻R3 、R4放电, 这样在下个周期开关管关 断 前 , 能 够 使 得C2的 端 电 压 从(VOR+VSPIKE)恢 复 到VOR。 这样, 只要能够合理设置时间常数, 就能保证在一个

周期内将漏感转移到C2中的能量释放完毕。据此, 可 以估算出电容的取值:




LI =




CU

22

式中L为漏感; I为充电电流; U为电容器两端的电压,

这里取540V。所以电容C为0.15nF。因漏感引起的初、

次级能量传输的延迟时间为:

Δt= LI VSPIKE

图5 缓冲电路原理图 3.2 UC3844外围电路设计
UC3844 的 供 电 采 用 开 始 时 由 原 边 主 电 路 通 过 电 阻分压供给, 电路正常工作后由副边供电。一般情况 下 UC3844 的 工 作 电 流 为 1 ~1.5 mA, 则 R =540V/ 1.5mA=360 kΩ。所以, R2、R16、R17取为100 kΩ/2W, R18 取为51 kΩ/1W即可( 见图5) 。工作频率由振荡电阻R12 和电容C6决定( 见图6) 。实际工作频率是阻容频率的 一半, 所以定时电阻取为20 kΩ, 电容取为1000 pF。脚 6是输出端, 经一个限流电阻( 56Ω/1W) 限流后驱动功 率MOSFET( 2SK1317) 。为保护功率MOSFET, 在脚6并 联一只18V的稳压二极管。 3.3 电流反馈电路设计
UC3844采用的是峰值电流控制模式, 脚3是电流 比较器同相输入端, 接电流取样信号输入, 即电流内 环, 由R15和脚3组成。从脚3引入的电流反馈信号与脚 1的电压误差信号比较, 产生一个PWM( 脉宽调制) 波。由于电流比较器输入端设置了1V的电流阈值, 当 电流过大而使电阻R15上的电压超过1V( 即脚3电*大 于1V) 时, 将关断PWM脉冲, 反之, 则保持此脉冲。为 了消除电流波形前沿尖脉冲引起的不稳定性, 由R14 和C8构成的RC滤波器[4]。
由于电阻R15检测出的是峰值电流, 因此它可以 精确地限制最大输出电流, 被检测的峰值电流为imax=

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1/ R15。这里采样电阻R15取为1Ω/1W, RC滤波器中的 R14取为3.6kΩ, C8取为1000pF/1.2V。 3.4 电压反馈电路设计
TL431的参考端( REF) 和阳极(ANODE)间是稳定 的 2.5V基 准 电 压 , 它 将 取 样 电 阻 R7上 的 电 压 稳 在 2.5V。当输出电压增大, 经R5、R6、R7分压后得到的取 样电压( 即R- A间的电压) 大于2.5V时, 流过TL431的 电流增大, 其阴极电压下降, 光耦原边二极管发光, 传

递到副边三极管, 进而使得开关管的导通时间减少, 从而降低输出电压。
之 所 以 选 取R5、R6、R7三 个 电 阻 是 为 了 在 实 际 工 作中可方便的调节R- A之间的电压为2.5V。基于上述 分析, 三个电阻分别取为2kΩ、3kΩ、1kΩ。另外, 为降 低误差放大器的高频增益, TL431的R- C间接入一个 1μF的 电 容 。 同 时 在LED原 边 二 极 管 两 侧 并 联 一 个 1kΩ的电阻, 它的作用是保证LED导通时电流从零开

图 6 电流电压反馈电路原理图

始增加。电路结构如图6所示。 4 实验分析
在 变 压 器 原 边 电 感 量 为 5.36mH、 主 开 关 管 为 2SK1317, 分别在轻载120Ω和满载80Ω情况下考核了

此电路。图7为输出电压纹波波形, 从图7中可以看出, 满载时输出电压的纹波除了少数的毛刺, 其主要部分 小于0.1V, 与输出电压( 20V) 相比, 不到其0.5%, 说明 此电路的输出纹波很小, 达到了设计指标的要求; 而

t/20μs/div vo /0.1V/div ( a) 轻载
图7

t/10μs/div vo /0.1V/div ( b) 满载
输出电压纹波波形

轻载时毛刺也很少, 工作情况很理想。 5 结束语
在单端反激式开关电源中, 电流型PWM控制器 UC3844有着广阔的应用范围。实验结果表明, 本文介 绍的变频器IGBT驱动电源能够满足设计要求, 达到 了满意的效果。
参考文献
[1] 何佳, 张煜盛. 电流型PWM控制器UC3844及其在微机电源中的 应

用[J]. 电子工程师, 2005(, 1) . [2] ON Semiconductor. UC3844Datasheet[Z]. 2000, 1. [3] 陈 果 , 谢 运 祥. 电 压 关 断 型 缓 冲 电 路 分 析 及 设 计 方 法[J]. 电 子 设 计 应用, 2007,( 1) . [4] 张志薇, 吴辉. 基于UC3844的多路输出IGBT驱动电 源 设 计[J]. 电 源 技术应用,2006(, 1) . 作者简介: 武 素 珍( 1955- ) , 女 , 汉 族 , 山 西 临 县 人 , 主 要 研 究 方 向 为 变 流 技 术 , 西 京 学 院 副 院 长 。Email:gjs97@126.com
收稿日期: 2008- 03- 08 ( 杨长江 编发)

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