基于MC34067的橋式DCDC變換器方案的研究

文/潘少祠 姚島 王微

開關(guān)電源作為半導(dǎo)體電力技術(shù)的基礎(chǔ)產(chǎn)品，市場(chǎng)需求量大，高功率密度、低損耗和穩(wěn)定可靠型是主流發(fā)展趨勢(shì)。DCDC變換器作為開關(guān)電源中的核心電路，是影響開關(guān)電源性能的重要因素。開關(guān)電源因?yàn)楣β使苁枪ぷ髟陂_關(guān)狀態(tài)，過程會(huì)產(chǎn)生高次諧波，電磁兼容EMI問題嚴(yán)重，所以研究和設(shè)計(jì)DCDC變換器還涉及到解決EMI問題。產(chǎn)品滿足安全、電磁兼容等規(guī)范，才能保證應(yīng)用場(chǎng)合中設(shè)備安全、信息安全、人員安全。開關(guān)電源的設(shè)計(jì)核心是選擇合適的DCDC變換器電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和工作方式，關(guān)鍵部件是磁性元器件(變壓器)的設(shè)計(jì)和開關(guān)功率管的選型。本文在研究橋式電路的工作特性基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出滿足應(yīng)用要求的變換器諧振工作模型。

1 原理與設(shè)計(jì)

1.1 橋式變換器主要結(jié)構(gòu)

如圖1和圖2為橋式變換器的兩種主要結(jié)構(gòu)：半橋和全橋。半橋變換器的工作模態(tài)：

（1）在t0時(shí)刻，V1導(dǎo)通和V2關(guān)斷，對(duì)電容C1C2充電，有Vin=N1AdB/dt能量通過變壓器傳輸?shù)截?fù)載。

（2）在t1時(shí)刻，V1和V2關(guān)斷，此時(shí)變壓器原邊電流為最大，由于變壓器漏感和次級(jí)電感的作用，原邊和副邊電流方向保持不變，電容放電電流減少。

（3）在t2時(shí)刻，V1關(guān)斷和V2導(dǎo)通，根據(jù)變壓器原理，變壓器副邊感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)極性反向，電流方向減少至零之后開始負(fù)向增大，變壓器原邊電流和電壓計(jì)算公式與（1）相同，方向相反。

（4）在t3時(shí)刻，V1和V2關(guān)斷，此時(shí)原邊電流為最大，重復(fù)（2）。

（5）在t4時(shí)刻，V1導(dǎo)通和V2關(guān)斷，重復(fù)（1）。

全橋變換器的工作模態(tài)相類似，但電流應(yīng)力增加一倍，因此全橋變換器適合用在大功率變換器。

1.2 變換器電路理論研究

諧振電路增益（M）公式：

公式（1）中：輸出電壓Uo，輸入電壓Ui，變壓器變比n；橋式諧振電路中主要諧振元件：Lr諧振電感，Cr諧振電容，諧振頻率諧振槽特征阻抗電路的工作頻率fs，根據(jù)阻抗特性，當(dāng)fs>fr時(shí)，輸入電壓超前輸入電流，能實(shí)現(xiàn)ZVS，利于滿足EMI要求。

1.3 電路的主要參數(shù)

根據(jù)fs>fr條件進(jìn)行電路參數(shù)設(shè)計(jì)，電路的主要參數(shù)指標(biāo)如表1所示。

1.4 輸出濾波電容設(shè)計(jì)

1.5 主管MOS管參數(shù)和整流管選擇

根據(jù)電路對(duì)功率MOS管的電壓應(yīng)力、電流應(yīng)力、功率和MC34067芯片驅(qū)動(dòng)能力要求，選擇型號(hào)SCT3160KLGC11作為開關(guān)功率MOS管，其主要參數(shù)：Rds(on)=0.16,Cis s=398pF,ton=14ns,tr=18ns,Qgs=11nC,ID=17A（脈沖IDpulse=42A）,PD=103W。根據(jù)MOS管參數(shù)驅(qū)動(dòng)峰值電流：I=Q/t=0.35A；當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓Vgs=18V,Rg=18Ω時(shí)，MOS管的驅(qū)動(dòng)峰值電流：I= CU/t=0.4A， MC34067芯片的驅(qū)動(dòng)能力滿足要求。最大功率輸出時(shí)單個(gè)MOS管損耗Pmos1=116W，大于單個(gè)MOS管損耗，因此需要選擇多個(gè)MOS管并聯(lián)使用，根據(jù)電路效率η及功率要求，選擇雙管并聯(lián)，共8個(gè)管組成全橋電路，此時(shí)單個(gè)MOS管損耗Pmos1=19W，總的MOS管損耗Pmos=152W；副管選超快恢復(fù)二極管STTH100W04CW組成全橋整流，整流管損耗Pdio=64W。

2 DCDC變換器電路仿真模型及波形

表1：電路的主要參數(shù)指標(biāo)

圖1：半橋變換電路

圖2：全橋變換電路

MC34067控制芯片是專門用于橋式諧振電路控制模式的專用芯片，雙高電流圖騰極輸出驅(qū)動(dòng)可直接驅(qū)動(dòng)變壓器驅(qū)動(dòng)門極，驅(qū)動(dòng)輸出能力：1.5A峰值驅(qū)動(dòng)電流和0.3A連續(xù)電流。根據(jù)設(shè)計(jì)的電路模型進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果驗(yàn)證全橋電路工作在ZVS和ZCS狀態(tài)，變換器輸出功率：5045W，直流輸入功率：5282W變換器電路效率η=0.955，電路參數(shù)滿足要求。

3 結(jié)論

通過研究全橋變換器諧振電路拓?fù)淠Ｐ?，基于MC34067建立電路仿真模型試驗(yàn)平臺(tái)，根據(jù)設(shè)計(jì)的參數(shù)驗(yàn)證了電路的可行性，研究各個(gè)參數(shù)對(duì)工作狀態(tài)、轉(zhuǎn)換效率、可靠性的影響。為進(jìn)一步研究和設(shè)計(jì)符合實(shí)際應(yīng)用要求的DCDC變換器平臺(tái)建立基礎(chǔ)。