（上海空间电源研究所上海200000）
摘要：数字控制技术作为如今电力电子研究领域的热门，具有控制灵活，可靠性高以及设计周期短等优点。针对传统模拟电路控制复杂，灵活性低的缺点，以UCD3138为核心搭建半桥转换电路，电路采用电压电流双环控制，同时运用同步整流技术降低损耗。对UCD3138控制下的电路整体结构进行分析，采用Mathcad软件计算环路PI参数，最终实现直流400V输入，直流25.5V输出的电压变换，电路效率可达到92%。实验结果显示数字控制下电路简洁，控制稳定，为接下来研究全数字控制奠定了基础。
关键词：UCD3138；半桥变换器；同步整流；PI参数；Mathcad；双环控制
引言
近年来，随着数字控制技术的不断发展以及微处理器性价比的不断提高，数字控制技术的研究得到了越来越多的关注。数字控制相较模拟控制其控制方案更加灵活，也更易实现电源的远程控制。在数字控制技术下，通过软件编程可以实现环路控制和状态监控，并且可重用性和可扩展性得到了极大的提高。通过修改程序参数，用户可以实现各种环路设计。因此，研究数字控制技术具有重要的现实意义[1]。
本文采用UCD3138实现半桥同步整流。UCD3138是TI推出的一款专门用来控制数字电源的芯片，它具有强大的数字控制和通信功能。通过设计环路ADC模块，数字脉冲调制模块DPWM和环路补偿器PID便可减少由参数漂移引起的误差的可能性，并稳定环路控制响应，同时减少了对外围无源器件的需求[2]。
1基于UCD3138的半桥变换器设计
半桥式变换器由两只开关管构成半桥，其拓扑结构主要在推挽变换器的基础上发展而来。半桥式变换器相较推挽变换器增加了两只输入分压电容，高频变压器初级绕组的中心抽头被略去，功率开关管承受的电压降为电源电压。但是，半桥变换器两只功率开关管的驱动电路较为复杂，主要是由于它们的驱动控制信号需要电气隔离[3]。
1.1数字控制下的半桥同步整流设计
本文的设计要求为400V直流输入，25V直流输出，满载20A，满载效率92%，开关频率100kHz。将肖特基二极管以功率MOSFET代替，MOSFET的低导通电阻相较二极管整流进一步降低了电路损耗，并且在电路设计中功率MOS管的栅极电压与整流电路的相位应当保证时间同步。
该数控半桥拓扑包含功率电路和数字控制电路两个主要部分。主功率电路在初级侧使用半桥拓扑，在次级侧使用同步整流。功率电路主要由半导体开关器件和整流滤波器电路组成，而数字控制部分通过由数字控制单元组成的反馈控制环路驱动电源电路中的开关器件。原副边开关器件及驱动设计如下：
（1）原副边开关器件
考虑到诸如电压和电流等因素，保留一定的安全裕度，选择两个可承受600V电压的N型MOS管作为半桥电路的开关管，型号为IPT60R080G7；副边同步整流管则使用四个型号为BSC014N06NS的P沟道型MOS管，以降低导通损耗；在整流管处增加RCD吸收电路以减小输出电路中的电压电流尖峰，进一步保证整流MOS管的安全运行[4]。
（2）驱动电路设计
在设计驱动电路时需要与主电路作一定程度的绝缘，从而避免主电路上的高压破坏驱动电路。此设计原边MOSFET驱动电路采用UCC21521DW驱动芯片，每个芯片可以驱动两片MOS管。副边则选用LM5101ASD驱动芯片，每块芯片同样可以驱动两个MOS管。
1.2数字控制环路设计
UCD3138的数字控制核心为3个数字电源外设（DPP），每个DPP主要由专用高速的误差模数转换器（EADC）、数字补偿器以及高精度DPWM输出组成[7]，模拟差分信号EAP和EAN经过EADC变换成数字信号，再经过数字PID补偿器调节后输出调制信号传递到数字PWM模块，最后产生DPWM信号驱动开关管[8]。
通过Mathcad软件对环路进行计算，确定电压环的PI参数为：KP=0.0121，KI=260.89，穿越频率9.75kHz，相位裕度57.84°；电流环的PI参数为：KP=1.958*10-3，KI=42.194，穿越频率为13.96kHz，相位裕度为78.31°。以上数据仅为理论计算所得，实际数据以实验室具体调试为准。
2实验结果和分析
根据电路的软硬件设计，编写软件程序，搭建试验样机，进行试验验证。图3为原边Mos管的触发时序，图4为输出电流及原副边Vds波形，校正后电压环伯德图如图5所示，电流环波特图如图6所示。
从图4可以得到电路原边侧MOS管的触发效果良好，符合理论分析，数字控制技术很好
的满足了电路控制系统的需求，电源的满载效率可以达到92%以上，基本达到了设计要求。
图5校正后电压环伯德图图6校正后电流环伯德图
参考文献：
[1]方超，张强，谢君甫.一款高效率数字模块电源的设计研究[J].工业控制计算机，2016（1）：148-149.
[2]徐祯祥，徐秀华，王令岩.基于UCD3138的数字电源研究与设计[J].国外电子测量技术，2018：56-59.
[3]AbrahamI.Pressman.开关电源设计[M].北京：电子工业出版社，2010：63-68.
[4]宁兆铭，阎照文.开关电源中RCD钳位电路研究[J].中国集成电路，2018，27（11）：30-34.
[5]邵静宜.同步整流Buck变换器的损耗分析[J].信息技术，2017（3）：133-136.
[6]贾宝龙.数字开关电源的设计[J].电子技术与软件工程，2018，No.132（10）：91-91.
[7]郑祥杰.高功率密度数控DC/DC模块电源的研究[D].2018：22-24.
[8]吴晓光，羊彦.双闭环反馈控制半桥DC-DC变换器设计[J].电子设计工程，2014，22（16）：100-102.
[9]罗守宾，王春芳，李强.半桥型电路小信号模型及双闭环控制系统设计[J].科技信息（学术版），2007（5）：21-25.
作者简介：董智刚（1992-），男，安徽滁州人，硕士研究生，主要研究领域为电子电源。
刘咏晖，男，上海人，研究员，主要研究领域为电子电源。
李双刚，男，江苏徐州人，高级工程师，主要研究领域为电子电源。