秩名 發表於 2011-09-27 18:14:00
介紹了一種以PWM 控制晶片UC3825為核心的低壓大電流開關電源的設計方案， 闡述了主電路的拓撲結構及主控制電路的電路設計， 並設計了軟啟動及過壓過流保護電路， 應用反饋手段和脈寬調製技術實現了電壓、電流的穩定輸出， 並研製了1臺15 V /1 200 A的樣機。
1 開關電源的設計
開關電源的基本結構主要由7部分組成： 輸入整流濾波電路、高頻開關變換器電路、整流輸出電路、控制電路、保護電路、輔助電源以及顯示電路。
1.1 主電路
該設計的主電路拓撲結構如圖1 所示， 輸入市網220 V 電壓， 通過RC 濾波及整流橋整流、全橋逆變、高頻變壓器、輸出整流以實現AC /DC /AC /DC 的變換過程， 最終得到所需要的15 V直流穩壓電源。
圖1 主電路拓撲結構圖
1.1.1 輸入濾波整流( AC /DC)
低電壓大電流的開關電源對高頻幹擾信號以及上電瞬間的浪湧電流十分敏感， 為了保證電路穩定工作， 消除來自電網的各種幹擾， 輸入的220 V 市電首先經RC濾波電路， 對尖峰電壓進行抑制。高頻濾波後的電壓經整流電路整流， 得到直流電壓。橋式整流電路後面的濾波電容具有充放電作用， 濾除整流後的交流成分。
1.1.2 高頻開關變換器( DC /AC)
它是開關電源的重要部分， 逆變電路採用全橋變換， 由4個IGBT開關管組成橋的四臂， 每個IGBT並聯1個高速功率二極體， 其鉗位作用以減小開關管由導通轉換為截止時， 變壓器產生的電壓尖峰， 以保護開關管不被擊穿。IGBT, 絕緣柵雙極型電晶體， 既具有輸入阻抗高、速度快、熱穩定性好和驅動電路簡單的優點， 又有通態電壓低、耐壓高的優點。開關管IGBT 的柵極接收PWM 信號， 當門極加正電壓， MOSFET內形成溝道，並為PNP電晶體提供基極電流， 從而使IGBT 導通。此時從P區注入到N 區進行電導調製， 減小N - 的電阻值， 使高耐壓的IGBT也具有低的通態壓降。在門極上加負電壓時， MOSFET內的溝道消失。PNP電晶體的基極電流被切斷， IGBT 關斷。T1、T4與T2、T3輪流高頻通斷， 將直流電壓變成交流電壓， 再經高頻隔離變壓器變成所需的隔離輸出交流電壓。此處的高頻變壓器採用鐵基鈮銅納米晶環形鐵芯高頻變壓器， 這種變壓器具有損耗小、漏感低、體積小等特點。
1.1.3 輸出整流濾波( AC /DC )
由高頻隔離變壓器輸出的逆變電壓， 經過大功率高頻整流二極體SBD( 即肖特基二極體) 構成的整流電路整流， 再經LC濾波電路濾波後輸出直流電壓， 輸出端的分流器對輸出進行採樣， 傳送到控制電路進行控制調節， 輸出穩定的電壓。
1.2 控制電路
控制電路是開關電源穩定工作的重要保證， 選取UC3825作為控制晶片， 它由振蕩器、PWM 比較器、PWM 鎖存器、輸出驅動器、限流比較器、過流比較器、基準電壓源、故障鎖存器、軟啟動電路、欠壓鎖定等組成。
UC3825最高開關頻率可達到1MH z, 輸出脈衝最大傳輸延遲時間為50 ns, 具有軟啟動控制和欠壓鎖定等功能， 應用UC3825的功能設計開關電源的控制電路， UC3825的2個脈衝輸出端為開關管IGBT提供PWM 驅動信號， 交替輸出脈衝。因此， 每個輸出端輸出脈衝的頻率是振蕩器頻率的1 /2, 振蕩器的頻率為200 kH z, 所以輸出PWM 脈衝的頻率為100 kH z, 輸出脈衝佔空比在0% ~ 50%以內調整， 為了避免橋臂短路， 常設置死區時間， 因此實際應用中一般達不到50%。UC3825的4、6、11、14腳的波形如圖2所示， 11、14腳波形經驅動電路輸出耦合至IGBT 的柵極， 控制IGBT的開通和關斷。開關管的驅動電路如圖3所示。
在實際應用中， IGBT的驅動電路對IGBT的工作好壞具有相當大的影響， 因此， 驅動電路要具有幾點要求： 能提供合適的正反向電壓， 保證管子可靠的開通和關斷; 動態驅動能力強; 信號傳輸基本無延時， 提高工作速度; 當出現異常情況時， IGBT能實現軟關斷， 對管子進行過壓、過流保護。使用的驅動電路能夠提供+ 15 V 和- 15 V的正向和反向電壓， 開通和關斷延時控制在1u s內， 且具有過壓和短路保護， 另外， 具有故障軟關斷功能。
為了得到穩定的輸出， 在輸出端進行實時採樣。如圖4所示， 採樣電流流經採樣電阻會產生一個壓降， 將該壓降作為反饋信號， 輸入到電壓比較器， 與給定的基準電壓進行比較， 產生一個差值， 通過誤差放大器比較放大後， 輸出的差值信號和鋸齒波( 或三角波)比較， 從而改變輸出脈衝的寬度， 當輸出大於基準電壓時， 減小脈衝寬度佔空比， 反之， 則增大佔空比， 以實現能得到一個穩定的輸出。
1.3 保護電路
考慮到開關電源的特點和實際的電氣特性， 為了使其能在惡劣環境以及突發故障情況下安全可靠地工作， 在實際的製作中充分利用UC3825的特性， 設計了電壓電流保護電路以及軟啟動保護等保護電路。軟啟動是通過軟啟動( SOFT、START )腳的外接電容實現的。接通電源後， 軟啟動腳外接電容放電， 該腳處於低電平， 誤差放大器輸出低電平， 開關電源無輸出電壓。
當內部電流源給軟啟動腳外接電容充電時， 誤差放大器輸出電壓逐漸升高， 直到閉環調節功能開始工作， 開關電源輸出電壓逐漸升高到額定值。一旦限流( ILIM )腳的電平超過1. 2 V, 故障鎖存器置位， 輸出腳變為低電平; 同時， 軟啟動腳外接電容以250uA的電流放電。在軟啟動電容放完電後， 限流腳電平降到1. 2 V以下時， 故障鎖存器就不輸出脈衝。這時， 故障鎖存器復位， 晶片開始軟啟動過程。
過流保護和過壓保護是在主電路中採樣輸入到保護電路中， 對電源起到保護作用。保護電路如圖5、圖6所示。
在開關變換電路和高頻變壓器之間加上一個檢測電流的互感器， 將檢測量輸入到UC3825的9腳限流端， 當檢測到開關電流達到上限電流時， 上限電流比較器輸出為高電平， 比較器的輸出就是上限電流觸發器的S端， 當S 為高電平時， 觸發器輸出為高， 即觸發器輸出連接的NPN 管子基極變高， NPN 管子導通， FB被拉低， 從而保護電路的過流問題。
在主電路輸出端直接實時採樣電壓， 與給定電壓比較後，把信號放大， 經過隔離後輸入到UC3825的2腳， 控制PWM 信號的佔空比， 從而控制主電路輸出電壓的變化。
過熱保護是通過檢驗系統中的熱繼電器通斷來具體實現的， 當開關電源正常工作時， 熱繼電器處於常通狀態， 一旦溫度過熱， 超過額定值， 熱繼電器開關會斷開， 通斷的信號會反饋到控制電路中， 達到過熱保護的作用。
1. 4 輔助電源
輔助電源是給控制電路供電的， 分為2 部分： 一部分是UC3825以及其他控制部分的電源， 控制部分的輔助電源。另一部分是電壓反饋環節的電源。該設計將電網的220 V 電壓接到工頻變壓器上， 為晶片UC3825, 缺相保護、欠壓、過壓保護等電路提供5 V、12 V、18 V 等工作電壓。
1.5 顯示電路
在開關電源的控制面板上， 設有電流表、電壓表， 顯示輸出的電流值、電壓值， 輔助電源給電流表， 電壓表提供5 V電壓驅動數碼管， 顯示面板上還設置了過熱、缺相、異常指示燈、恆流恆壓轉換開關。作為外在顯示部分， 可以清楚地觀察到系統的實時工作情況， 保證開關電源安全穩定的工作。
2 實驗測試與結果
在測試實驗中， 採用可變負載車作為調試負載， 根據需要改變電阻絲的並聯條數， 對於輸出電壓、電流的控制， 可以通過改變控制板上的可變採樣電阻， 進而由UC3825調整PWM 信號的佔空比， 達到預期的輸出值。調試完畢， 還要對機器進行老化試驗。該樣機的測試結果表明： 電源輸出的脈動電壓尖峰小， 輸出電流平緩穩定， 波動幅值小， 而且具備高效節能， 體積重量小的優點。
3 結束語
開發了15 V /1 200 A的低電壓大電流的大功率開關電源，採用脈寬調製晶片UC3825作為控制核心， 對整個系統進行控制。同時， 設計的軟啟動電路、欠壓過壓及過流保護電路， 增加開關電源工作的可靠性和穩定性。目前系統已經完成了實驗調試， 主電路已經能夠安全穩定的帶載工作， 該設計為高頻開關電壓在電鍍行業中的應用提供了理論和實踐的有力保證。
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