基于UCC3895的移相全桥变换器的设计

引言

随着电力电子技术的不断发展，开关电源因其高效、节能、体积小等优点，在通信、计算机、工业控制等领域得到了广泛应用。移相全桥变换器作为一种常用的开关电源拓扑结构，具有开关损耗小、效率高、频率高等特点，尤其适用于大功率、低电压输出的场合。UCC3895是德州仪器（TI）公司生产的一款高性能移相全桥PWM控制器，它集成了多种先进功能，如自适应死区设置、PWM软关断、双向振荡器同步等，为移相全桥变换器的设计提供了极大的便利。本文将详细介绍基于UCC3895的移相全桥变换器的设计过程，包括主电路设计、控制电路设计、元器件选型及作用分析等。

移相全桥变换器工作原理

移相全桥变换器由全桥逆变电路、高频变压器、整流滤波电路和控制电路组成。其基本工作原理是通过控制全桥逆变电路中四个开关管的导通和关断顺序，使变压器原边电压产生移相，从而实现副边电压的调节。在移相控制过程中，利用变压器的漏感和开关管的结电容进行谐振，使开关管在零电压条件下开通和关断，即实现零电压开关（ZVS），从而大大减小了开关损耗，提高了变换器的效率。

主电路设计

输入电路

输入电路的主要作用是将交流输入电压转换为直流电压，为后续的全桥逆变电路提供稳定的直流电源。输入电路通常包括整流桥和滤波电容。

• 整流桥：选用KBPC5010整流桥，其额定电流为50A，额定电压为1000V。该整流桥具有正向压降低、反向漏电流小、热稳定性好等优点，能够满足大功率输入的要求。选择该整流桥的原因是其在额定电流和电压下能够可靠工作，且价格相对较为合理，具有较高的性价比。其主要功能是将交流输入电压转换为脉动的直流电压。

• 滤波电容：选用两个4700μF/400V的铝电解电容并联使用。铝电解电容具有容量大、价格低的特点，能够有效地滤除整流后的脉动成分，为全桥逆变电路提供较为平滑的直流电压。选择该电容的原因是其容量能够满足输入滤波的要求，且并联使用可以减小等效串联电阻（ESR），提高滤波效果。

全桥逆变电路

全桥逆变电路是移相全桥变换器的核心部分，由四个开关管组成。本设计选用IXTH25N60型MOSFET作为开关管。

• IXTH25N60型MOSFET：该MOSFET的耐压值为600V，额定电流为25A，导通电阻较小。选择该MOSFET的原因是其耐压和电流参数能够满足设计要求，且导通电阻小可以减小导通损耗，提高变换器的效率。其主要功能是在控制电路的作用下，实现直流电压到交流电压的转换，并通过移相控制实现输出电压的调节。

高频变压器

高频变压器是移相全桥变换器中实现电压变换和电气隔离的关键部件。本设计选用EE80磁芯来绕制高频变压器。

• EE80磁芯：该磁芯具有较高的磁导率和饱和磁感应强度，能够满足大功率变换的要求。选择该磁芯的原因是其在高频下损耗较小，且散热性能较好。根据面积乘积法设计变压器，设输出功率Po = 500W，开关频率f = 20kHz，对于R2KB材质的铁氧体磁芯，最大工作磁感应强度Bm = 1700Gs，填充系数Ku = 0.3，导线电流密度J = 3A/mm²，变压器的变换效率η = 0.98。通过计算可得AcAw = 4.614cm⁴，查阅变压器磁芯手册可知选用EE80磁芯合适。变压器原边匝数N1 = 114匝，副边匝数N2 = 14匝。高频变压器的主要功能是实现输入电压到输出电压的变换，并提供电气隔离，保证系统的安全性。

整流滤波电路

整流滤波电路的作用是将高频变压器副边输出的交流电压转换为直流电压，并滤除其中的纹波成分。

• 整流二极管：选用MUR860型超快恢复二极管，其反向恢复时间短，正向压降低，能够满足高频整流的要求。选择该二极管的原因是其在高频下能够快速恢复，减小反向恢复损耗，提高整流效率。其主要功能是将交流电压转换为脉动的直流电压。

• 输出滤波电容：选用两个1000μF/50V的铝电解电容并联使用，同时并联一个0.1μF的陶瓷电容，以滤除高频纹波。铝电解电容用于滤除低频纹波，陶瓷电容用于滤除高频纹波。选择这些电容的原因是它们能够有效地滤除不同频率的纹波成分，为负载提供稳定的直流电压。

控制电路设计

UCC3895控制器

UCC3895是本设计的核心控制芯片，它集成了多种先进功能，为移相全桥变换器的控制提供了便利。

• UCC3895：该芯片采用BCDMOS工艺制造，工作频率高达1MHz，具有可编程输出开通延时和自适应延时设置功能，既可用于电流模式，又可用于电压模式控制，可实现输出脉冲占空比从0% - 100%相移控制，内置7MHz带宽的误差比较放大器。选择UCC3895的原因是其功能强大，能够满足移相全桥变换器的控制要求，且具有较高的集成度，简化了控制电路的设计。其主要功能是产生移相控制信号，控制全桥逆变电路中开关管的导通和关断顺序，实现输出电压的调节和零电压开关控制。

振荡器电路

振荡器电路为UCC3895提供时钟信号，决定变换器的工作频率。

• 定时电阻RT和定时电容CT：根据振荡周期公式T = RT × CT × 46.8×10⁻⁶（预设fosc = 200kHz，则T = 5μs），取RT = 100kΩ，CT = 470pF。选择这些参数的原因是它们能够使振荡器产生稳定的时钟信号，满足变换器的工作频率要求。RT和CT的主要功能是确定振荡器的振荡周期，从而控制变换器的工作频率。

死区时间设置电路

死区时间设置电路用于防止全桥逆变电路中同一桥臂上的两个开关管同时导通，避免短路故障。

• 电阻RDELAB和RDELCD：根据死区时间计算公式，选取RDELAB = RDELCD = 2kΩ，最大电流为0.875mA < 1mA，符合要求。再根据公式得到死区时间为50 - 125ns。选择这些电阻的原因是它们能够设置合适的死区时间，保证开关管的安全导通和关断。RDELAB和RDELCD的主要功能是分别设置OUTA和OUTB之间、OUTC和OUTD之间的死区时间。

电流检测电路

电流检测电路用于实现过流保护和峰值电流模式控制。

• 电流互感器T4：原副边匝比选为1:75，当输入电流平均值约为5A，考虑占空比和变压器的励磁电流，输入电流峰值约为9A时，副边电流为0.12A。选择该电流互感器的原因是其匝比能够满足电流检测的要求，将大电流转换为小电流，便于后续处理。其主要功能是检测输入电流，并将电流信号转换为电压信号。

• 电阻R10：选择R10为20Ω，可得CS端的最大电压为2.4V，不能超过2.5V。选择该电阻的原因是其能够将电流互感器输出的电流信号转换为合适的电压信号，满足UCC3895的CS端电压要求。R10的主要功能是与电流互感器配合，实现电流到电压的转换。

误差放大器电路

误差放大器电路用于实现输出电压的闭环控制，通过比较输出电压反馈信号和参考电压，产生误差信号来调整移相控制信号，从而稳定输出电压。

• 光耦Q8和TL431：TL431是一个基准电压为2.5V的电压调节器，通过光耦Q8实现输出电压闭环反馈。选择TL431的原因是其能够提供稳定的基准电压，且精度较高。光耦Q8的作用是实现电气隔离，将输出电压反馈信号传输到控制电路。误差放大器电路的主要功能是根据输出电压的变化产生误差信号，通过UCC3895的误差放大器调整移相控制信号，使输出电压保持稳定。

驱动电路

驱动电路的作用是将UCC3895输出的控制信号进行放大，以驱动全桥逆变电路中的开关管。

• IR2110驱动芯片：IR2110具有驱动能力强、工作频率高、集成度高等优点，能够满足MOSFET的驱动要求。选择IR2110的原因是其能够提供足够的驱动电流和电压，保证MOSFET的可靠导通和关断。其主要功能是将UCC3895输出的控制信号进行放大，为MOSFET提供合适的驱动信号。

实验结果与分析

开环实验

在开环实验中，通过示波器观察控制电路的输出波形。可以看到CT上的输出波形为200kHz的锯齿波，OUTA和OUTB的输出波形为100kHz的互补方波，且存在一定的死区时间。通过调节相关参数，可以验证死区时间设置电路的功能正常，能够满足设计要求。

闭环实验

在闭环实验中，通过改变负载大小，观察输出电压的变化情况。实验结果表明，当负载在0 - 3A范围内突变时，输出电压能够保持稳定，波动较小。这说明闭环控制系统能够有效地根据输出电压的变化调整移相控制信号，实现输出电压的稳定控制。同时，通过观察功率开关管的驱动信号和漏源极之间的电压波形，可以验证功率开关管实现了零电压开关，减小了开关损耗，提高了变换器的效率。

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结论

本文详细介绍了基于UCC3895的移相全桥变换器的设计过程，包括主电路设计、控制电路设计、元器件选型及作用分析等。通过实验验证，该变换器能够实现零电压开关，具有较高的效率和稳定性，能够满足大功率、低电压输出的应用要求。UCC3895作为核心控制芯片，其强大的功能和良好的性能为移相全桥变换器的设计提供了有力支持。在今后的设计中，可以进一步优化电路参数，提高变换器的性能和可靠性。