1　引言

隨著電子技術(shù)的高速發(fā)展， 電子設(shè)備的種類與日俱增。任何電子設(shè)備都離不開可靠的供電電源， 對電源供電質(zhì)量的要求也越來越高， 而開關(guān)電源在效率、重量、體積等方面相對于傳統(tǒng)的晶體管線性電源具有顯著優(yōu)勢。正是由于開關(guān)電源的這些特點， 它在新興的電子設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用， 已逐漸取代了連續(xù)控制式的線性電源。

圖1　功率主電路原理圖

2　功率主電路

本電源模塊采用半橋式功率逆變電路。如圖1 所示， 三相交流電經(jīng)EM I 濾波器濾波， 大大減少了交流電源輸入的電磁干擾， 同時防止開關(guān)電源產(chǎn)生的諧波串擾到輸入電源端。再經(jīng)過橋式整流電路、濾波電路變成直流電壓加在P、N 兩點間。P、N 之間接入一個小容量、高耐壓的無感電容， 起到高頻濾波的作用。半橋式功率變換電路與全橋式功率變換電路類似， 只是其中兩個功率開關(guān)器件改由兩個容量相等的電容C1 和C2代替。在實際應(yīng)用中為了提高電容的容量以及耐壓程度， C1 和C2 往往采用由多個等值電容并聯(lián)組成的電容組。C1、C2 的容量選值應(yīng)盡可能大， 以減小輸出電壓的紋波系數(shù)和低頻振蕩。由于對體積和重量的限制， C1和C2 的值不可能無限大， 為使輸出電壓的紋波達到規(guī)定的要求， 該電容值有一個計算公式 , 即：

式中， IL 為輸出負載電流， V L 為輸出負載電壓，V M 為輸入交流電壓幅值， f 為輸入交流電頻率， VU為輸出的紋波電壓值。

這是一個理論上的計算公式， 得到的滿足要求的電容計算值比較大， 實際取的電容應(yīng)盡量大一些， 由于輸出端電壓較小， 也可以在二次整流濾波時加大電容，這樣折算到該公式的電容值也不小。C1 和C2 在這里實現(xiàn)了靜態(tài)時分壓， 使V A= V in/2。

當VT1導(dǎo)通、VT2截止時， 輸入電流方向為圖中虛線方向， 向C2 充電， 同時C1通過V T1 放電; 當V T 2 導(dǎo)通、V T 1 截止時， 輸入電流方向為圖中實線方向， 向C1 充電， 同時C2 通過V T 2 放電。

當V T1 導(dǎo)通、V T 2 截止時，V T 2 兩端承受的電壓為輸入直流電壓V in。IGBT 的集- 射極間并接RC 吸收網(wǎng)絡(luò)， 降低開關(guān)管的開關(guān)應(yīng)力， 減小IGBT 關(guān)斷產(chǎn)生的尖峰電壓; 并聯(lián)二極管實現(xiàn)續(xù)流的作用。二次整流采用單相橋式整流電路， 通過后續(xù)的LC 濾波電路， 消除高頻紋波， 減小輸出直流電壓的低頻振蕩。LC 濾波電路中的電容由多個高耐壓、大容量的電容并聯(lián)組成， 以提高電源的可靠性， 使輸出直流電壓更加平穩(wěn)。

3　PWM 集成芯片SG3525 的功能特點

SG3525 是一款功能齊全、通用性強的單片集成PWM 芯片。它采用恒頻脈寬調(diào)制控制方案， 適合于各種開關(guān)電源、斬波器的控制。其主要功能包括基準電壓產(chǎn)生電路、振蕩器、誤差放大器、PWM 比較器、欠壓鎖定電路、軟啟動控制電路、推拉輸出形式。SG3525 的基本外圍電路接線圖如圖2 所示。該芯片與其它同類型的芯片相比具有許多突出的特點。

圖2　SG3525 的基本外圍接線圖

(1) 頻率可調(diào)， 一般通過改變CT 和R T (見圖2) 的值來調(diào)節(jié)PWM 波的輸出頻率， 其頻率的計算公式為：

(2) 死區(qū)時間可調(diào)， 通過調(diào)節(jié)R D 即可改變死區(qū)時間的大小， 防止逆變橋的上下橋臂直通。

(3) 具有PWM 脈沖信號封鎖功能， 當10 腳電壓高于2. 5V 時， 可及時封鎖脈沖輸出， 防止出現(xiàn)過壓、過流、過熱故障時對電路產(chǎn)生危害。

(4) 芯片內(nèi)振蕩器工作頻率為100Hz～ 400kHz。設(shè)有引腳3 為同步端， 為多個SG3525 聯(lián)用提供方便。

(5) 具有軟啟動電路， 比較器的反相輸入端即軟啟動控制端芯片的引腳8, 可外接軟啟動電容C。該電容器內(nèi)部的基準電壓V ref由恒流源供電， 達到2. 5V 的時間t= (2.5V /50uA )C, 占空比由小到大(50% ) 變化。

(6) 內(nèi)置PWM (脈寬調(diào)制) 鎖存器將比較器送來的置位信號鎖存， 并將誤差放大器上的噪聲、振鈴及系統(tǒng)所有的跳動和振蕩信號消除。只有在下一個時鐘周期才能重新置位， 系統(tǒng)的可靠性高。

4　SG3525 的應(yīng)用電路及工作原理

利用SG3525 建立的大功率直流開關(guān)電源控制電路如圖3 所示， 下面主要介紹調(diào)壓和限流模塊。

圖3　SG3525 外圍控制電路[!--empirenews.page--]

如圖3, 電壓反饋電路通過光電耦合器實現(xiàn)了強電輸出部分與弱電控制部分的隔離。光電耦合器采用的是Hp 4504, 當輸入端電流在0～ 4mA 之間的時候， 輸入與輸出之間的電流傳遞比呈線性關(guān)系， 設(shè)計的時候選擇合適的限流電阻， 控制輸入端電流在0～ 3mA 之間變化。當輸出電壓U out升高時， 光電耦合器的輸出端發(fā)射極電流I e 呈線性增大， 使發(fā)射極電壓V e 增大， 通過C2、C3、R 4、R 5 的濾波穩(wěn)壓后輸入到引腳1 的V 1 也隨之增大。當V 1 增大時， 經(jīng)誤差放大9 腳電壓下降， 比較器輸出的脈沖寬度變寬， 11 和14 腳輸出的PWM 脈沖寬度反而變窄， 從而使輸出電壓U out降低; 反之， 當U out下降使1 腳電壓減小， 9 腳電壓升高， 11 和14 腳輸出的PWM 脈沖寬度變寬。總之， 1 腳電壓V 1 的增大與減小反映了輸出電壓U out的上升與下降， 最終都表現(xiàn)在11、14 腳輸出PWM 脈沖的寬窄變化上， 以實現(xiàn)電路的自動穩(wěn)壓調(diào)節(jié)。

利用光耦電流傳輸比的線性段， 可以做到輸入輸出的線性變化， 用在反饋電路當中， 不僅降低了成本，而且使輸入與輸出隔離， 同時在穩(wěn)壓效果上也能與電壓傳感器相媲美， 在實際應(yīng)用當中， 不失為一種可取的方法。

通過輸出端電流傳感器得到的電流采樣信號V i與給定的限流基準電壓U refi作比較， 外接負載變化使輸出電流U out變化時，V i 也會相應(yīng)的改變。當Iout增大使V i 大于V refi時， 運算放大器L 1A 的輸出端V b 為低電平。此時，L 2A 的輸出端V 2 將被直接拉低為低電平， 2腳相當于接地， 輸出端11 和14 腳無脈沖輸出， 開關(guān)電源出現(xiàn)“打嗝”現(xiàn)象， 起到了限流作用。與此同時， 輸出電流Iout減小使得V 2 再次被拉高， 11 和14 腳恢復(fù)脈沖輸出， 開關(guān)電源正常工作， 以此達到輸出電流的動態(tài)平衡過程。

圖4　賽米控SKYPER32PRO 驅(qū)動模塊

5　IGBT 的驅(qū)動電路

IGBT 的觸發(fā)和關(guān)斷要求給其柵極和發(fā)射極之間加上正向和反向電壓， 并且需要一定的動態(tài)驅(qū)動功率，才能保證IGBT 的及時觸發(fā)和關(guān)斷。

本電源的IGBT 驅(qū)動采用賽米控(Sem ik ron )SKYPER32PRO 驅(qū)動模塊。該控制核是一個半橋式驅(qū)動模塊， 集驅(qū)動、內(nèi)部隔離、電氣保護于一體。與同類型的產(chǎn)品相比， SKYPER32PRO 具有許多特點。

(1) 采用具有雙向傳輸功能的脈沖變壓器， 通過這種方法在原邊與副邊之間傳輸驅(qū)動信號和狀態(tài)信號，并將能量傳遞到副邊。

(2) 該組件設(shè)計為即插即用， 使用方便， 并且已經(jīng)進行了全面的電測試和溫度測試。

(3) 采用單電源供電模式， 同時對驅(qū)動橋臂的雙邊供電。

(4) 具有短脈沖抑制功能， 能自動修復(fù)由SG3525送出的雙路PWM 波， 使波形更加平穩(wěn)。

(5) 具有VCE 監(jiān)測、欠壓監(jiān)測、欠壓復(fù)位和死區(qū)互鎖功能等。

6　樣機研制

主要技術(shù)指標：

輸入電壓： 三相AC380V ±5%

輸出電壓：DC220V ±2%

輸出電流： 50A

額定功率： 11kW

所得試驗樣機額定負載時的輸出波形如圖5 (a) 所示。由圖5 (a) 實際讀數(shù)可知， 輸出電壓從0V 上升到220V 的響應(yīng)時間為1s 左右， 電源系統(tǒng)具有較快的響應(yīng)速度。同時， 由圖5 (b) 中的電壓波形局部放大圖可見， 輸出電壓為220V 時， 電壓波動在2V 左右， 其最大電壓波動小于1%。

圖5

7　結(jié)論

利用SG3525 和SKYPER32PRO 的強大功能設(shè)計了一臺11kW、220V 的直流開關(guān)電源。本電源設(shè)計簡單， 調(diào)試方便， 所需元器件較少， 體積小， 成本低。負載在全范圍內(nèi)變化時， 本電源均能夠保持良好的輸出性能。試驗數(shù)據(jù)表明指標滿足設(shè)計要求， 輸出紋波系數(shù)控制在小于1% 的范圍內(nèi)。