1 開關(guān)電源的設(shè)計(jì)

開關(guān)電源的基本結(jié)構(gòu)主要由7部分組成： 輸入整流濾波電路、高頻開關(guān)變換器電路、整流輸出電路、控制電路、保護(hù)電路、輔助電源以及顯示電路。

1.1 主電路

該設(shè)計(jì)的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1 所示， 輸入市網(wǎng)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(shí)現(xiàn)AC /DC /AC /DC 的變換過程， 最終得到所需要的15 V直流穩(wěn)壓電源。

1.1.1 輸入濾波整流( AC /DC)

低電壓大電流的開關(guān)電源對(duì)高頻干擾信號(hào)以及上電瞬間的浪涌電流十分敏感， 為了保證電路穩(wěn)定工作， 消除來自電網(wǎng)的各種干擾， 輸入的220 V 市電首先經(jīng)RC濾波電路， 對(duì)尖峰電壓進(jìn)行抑制。高頻濾波后的電壓經(jīng)整流電路整流， 得到直流電壓。橋式整流電路后面的濾波電容具有充放電作用， 濾除整流后的交流成分。

1.1.2 高頻開關(guān)變換器( DC /AC)

它是開關(guān)電源的重要部分， 逆變電路采用全橋變換， 由4個(gè)IGBT開關(guān)管組成橋的四臂， 每個(gè)IGBT并聯(lián)1個(gè)高速功率二極管， 其鉗位作用以減小開關(guān)管由導(dǎo)通轉(zhuǎn)換為截止時(shí)， 變壓器產(chǎn)生的電壓尖峰， 以保護(hù)開關(guān)管不被擊穿。IGBT, 絕緣柵雙極型晶體管， 既具有輸入阻抗高、速度快、熱穩(wěn)定性好和驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)， 又有通態(tài)電壓低、耐壓高的優(yōu)點(diǎn)。開關(guān)管IGBT 的柵極接收PWM 信號(hào)， 當(dāng)門極加正電壓， MOSFET內(nèi)形成溝道，并為PNP晶體管提供基極電流， 從而使IGBT 導(dǎo)通。此時(shí)從P區(qū)注入到N 區(qū)進(jìn)行電導(dǎo)調(diào)制， 減小N - 的電阻值， 使高耐壓的IGBT也具有低的通態(tài)壓降。在門極上加負(fù)電壓時(shí)， MOSFET內(nèi)的溝道消失。PNP晶體管的基極電流被切斷， IGBT 關(guān)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(jīng)高頻隔離變壓器變成所需的隔離輸出交流電壓。此處的高頻變壓器采用鐵基鈮銅納米晶環(huán)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(diǎn)。

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(jīng)過大功率高頻整流二極管SBD( 即肖特基二極管) 構(gòu)成的整流電路整流， 再經(jīng)LC濾波電路濾波后輸出直流電壓， 輸出端的分流器對(duì)輸出進(jìn)行采樣， 傳送到控制電路進(jìn)行控制調(diào)節(jié)， 輸出穩(wěn)定的電壓。

1.2 控制電路

控制電路是開關(guān)電源穩(wěn)定工作的重要保證， 選取UC3825作為控制芯片， 它由振蕩器、PWM 比較器、PWM 鎖存器、輸出驅(qū)動(dòng)器、限流比較器、過流比較器、基準(zhǔn)電壓源、故障鎖存器、軟啟動(dòng)電路、欠壓鎖定等組成。

UC3825最高開關(guān)頻率可達(dá)到1MH z, 輸出脈沖最大傳輸延遲時(shí)間為50 ns, 具有軟啟動(dòng)控制和欠壓鎖定等功能， 應(yīng)用UC3825的功能設(shè)計(jì)開關(guān)電源的控制電路， UC3825的2個(gè)脈沖輸出端為開關(guān)管IGBT提供PWM 驅(qū)動(dòng)信號(hào)， 交替輸出脈沖。因此， 每個(gè)輸出端輸出脈沖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 脈沖的頻率為100 kH z, 輸出脈沖占空比在0% ~ 50%以內(nèi)調(diào)整， 為了避免橋臂短路， 常設(shè)置死區(qū)時(shí)間， 因此實(shí)際應(yīng)用中一般達(dá)不到50%。UC3825的4、6、11、14腳的波形如圖2所示， 11、14腳波形經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路輸出耦合至IGBT 的柵極， 控制IGBT的開通和關(guān)斷。開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示。

在實(shí)際應(yīng)用中， IGBT的驅(qū)動(dòng)電路對(duì)IGBT的工作好壞具有相當(dāng)大的影響， 因此， 驅(qū)動(dòng)電路要具有幾點(diǎn)要求： 能提供合適的正反向電壓， 保證管子可靠的開通和關(guān)斷; 動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng); 信號(hào)傳輸基本無(wú)延時(shí)， 提高工作速度; 當(dāng)出現(xiàn)異常情況時(shí)， IGBT能實(shí)現(xiàn)軟關(guān)斷， 對(duì)管子進(jìn)行過壓、過流保護(hù)。使用的驅(qū)動(dòng)電路能夠提供+ 15 V 和- 15 V的正向和反向電壓， 開通和關(guān)斷延時(shí)控制在1u s內(nèi)， 且具有過壓和短路保護(hù)， 另外， 具有故障軟關(guān)斷功能。

為了得到穩(wěn)定的輸出， 在輸出端進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣。如圖4所示， 采樣電流流經(jīng)采樣電阻會(huì)產(chǎn)生一個(gè)壓降， 將該壓降作為反饋信號(hào)， 輸入到電壓比較器， 與給定的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較， 產(chǎn)生一個(gè)差值， 通過誤差放大器比較放大后， 輸出的差值信號(hào)和鋸齒波( 或三角波)比較， 從而改變輸出脈沖的寬度， 當(dāng)輸出大于基準(zhǔn)電壓時(shí)， 減小脈沖寬度占空比， 反之， 則增大占空比， 以實(shí)現(xiàn)能得到一個(gè)穩(wěn)定的輸出。

1.3 保護(hù)電路

考慮到開關(guān)電源的特點(diǎn)和實(shí)際的電氣特性， 為了使其能在惡劣環(huán)境以及突發(fā)故障情況下安全可靠地工作， 在實(shí)際的制作中充分利用UC3825的特性， 設(shè)計(jì)了電壓電流保護(hù)電路以及軟啟動(dòng)保護(hù)等保護(hù)電路。軟啟動(dòng)是通過軟啟動(dòng)( SOFT、START )腳的外接電容實(shí)現(xiàn)的。接通電源后， 軟啟動(dòng)腳外接電容放電， 該腳處于低電平， 誤差放大器輸出低電平， 開關(guān)電源無(wú)輸出電壓。

當(dāng)內(nèi)部電流源給軟啟動(dòng)腳外接電容充電時(shí)， 誤差放大器輸出電壓逐漸升高， 直到閉環(huán)調(diào)節(jié)功能開始工作， 開關(guān)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?yōu)榈碗娖? 同時(shí)， 軟啟動(dòng)腳外接電容以250uA的電流放電。在軟啟動(dòng)電容放完電后， 限流腳電平降到1. 2 V以下時(shí)， 故障鎖存器就不輸出脈沖。這時(shí)， 故障鎖存器復(fù)位， 芯片開始軟啟動(dòng)過程。

過流保護(hù)和過壓保護(hù)是在主電路中采樣輸入到保護(hù)電路中， 對(duì)電源起到保護(hù)作用。保護(hù)電路如圖5、圖6所示。

在開關(guān)變換電路和高頻變壓器之間加上一個(gè)檢測(cè)電流的互感器， 將檢測(cè)量輸入到UC3825的9腳限流端， 當(dāng)檢測(cè)到開關(guān)電流達(dá)到上限電流時(shí)， 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(fā)器的S端， 當(dāng)S 為高電平時(shí)， 觸發(fā)器輸出為高， 即觸發(fā)器輸出連接的NPN 管子基極變高， NPN 管子導(dǎo)通， FB被拉低， 從而保護(hù)電路的過流問題。

在主電路輸出端直接實(shí)時(shí)采樣電壓， 與給定電壓比較后，把信號(hào)放大， 經(jīng)過隔離后輸入到UC3825的2腳， 控制PWM 信號(hào)的占空比， 從而控制主電路輸出電壓的變化。

過熱保護(hù)是通過檢驗(yàn)系統(tǒng)中的熱繼電器通斷來具體實(shí)現(xiàn)的， 當(dāng)開關(guān)電源正常工作時(shí)， 熱繼電器處于常通狀態(tài)， 一旦溫度過熱， 超過額定值， 熱繼電器開關(guān)會(huì)斷開， 通斷的信號(hào)會(huì)反饋到控制電路中， 達(dá)到過熱保護(hù)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(huán)節(jié)的電源。該設(shè)計(jì)將電網(wǎng)的220 V 電壓接到工頻變壓器上， 為芯片UC3825, 缺相保護(hù)、欠壓、過壓保護(hù)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(guān)電源的控制面板上， 設(shè)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(qū)動(dòng)數(shù)碼管， 顯示面板上還設(shè)置了過熱、缺相、異常指示燈、恒流恒壓轉(zhuǎn)換開關(guān)。作為外在顯示部分， 可以清楚地觀察到系統(tǒng)的實(shí)時(shí)工作情況， 保證開關(guān)電源安全穩(wěn)定的工作。

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試與結(jié)果

在測(cè)試實(shí)驗(yàn)中， 采用可變負(fù)載車作為調(diào)試負(fù)載， 根據(jù)需要改變電阻絲的并聯(lián)條數(shù)， 對(duì)于輸出電壓、電流的控制， 可以通過改變控制板上的可變采樣電阻， 進(jìn)而由UC3825調(diào)整PWM 信號(hào)的占空比， 達(dá)到預(yù)期的輸出值。調(diào)試完畢， 還要對(duì)機(jī)器進(jìn)行老化試驗(yàn)。該樣機(jī)的測(cè)試結(jié)果表明： 電源輸出的脈動(dòng)電壓尖峰小， 輸出電流平緩穩(wěn)定， 波動(dòng)幅值小， 而且具備高效節(jié)能， 體積重量小的優(yōu)點(diǎn)。

3 結(jié)束語(yǔ)

開發(fā)了15 V /1 200 A的低電壓大電流的大功率開關(guān)電源，采用脈寬調(diào)制芯片UC3825作為控制核心， 對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行控制。同時(shí)， 設(shè)計(jì)的軟啟動(dòng)電路、欠壓過壓及過流保護(hù)電路， 增加開關(guān)電源工作的可靠性和穩(wěn)定性。目前系統(tǒng)已經(jīng)完成了實(shí)驗(yàn)調(diào)試， 主電路已經(jīng)能夠安全穩(wěn)定的帶載工作， 該設(shè)計(jì)為高頻開關(guān)電壓在電鍍行業(yè)中的應(yīng)用提供了理論和實(shí)踐的有力保證。