1 開關(guān)電源的設(shè)計

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、保護電路、輔助電源以及顯示電路。

1.1 主電路

該設(shè)計的主電路拓撲結(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)電源對高頻干擾信號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， 對尖峰電壓進行抑制。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IGBT開關(guān)管組成橋的四臂， 每個IGBT并聯(lián)1個高速功率二極管， 其鉗位作用以減小開關(guān)管由導(dǎo)通轉(zhuǎn)換為截止時， 變壓器產(chǎn)生的電壓尖峰， 以保護開關(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)動電路簡單的優(yōu)點， 又有通態(tài)電壓低、耐壓高的優(yōu)點。開關(guān)管IGBT 的柵極接收PWM 信號， 當門極加正電壓， 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。此時從P區(qū)注入到N 區(qū)進行電導(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。在門極上加負電壓時， 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。

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， 輸出端的分流器對輸出進行采樣， 傳送到控制電路進行控制調(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(guān)頻率可達到1MH z, 輸出脈沖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(yīng)用UC3825的功能設(shè)計開關(guān)電源的控制電路， UC3825的2個脈沖輸出端為開關(guān)管IGBT提供PWM 驅(qū)動信號， 交替輸出脈沖。因此， 每個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)時間， 因此實際應(yīng)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(jīng)驅(qū)動電路輸出耦合至IGBT 的柵極， 控制IGBT的開通和關(guān)斷。開關(guān)管的驅(qū)動電路如圖3所示。

在實際應(yīng)用中， IGBT的驅(qū)動電路對IGBT的工作好壞具有相當大的影響， 因此， 驅(qū)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(guān)斷; 動態(tài)驅(qū)動能力強; 信號傳輸基本無延時， 提高工作速度; 當出現(xiàn)異常情況時， IGBT能實現(xiàn)軟關(guān)斷， 對管子進行過壓、過流保護。使用的驅(qū)動電路能夠提供+ 15 V 和- 15 V的正向和反向電壓， 開通和關(guān)斷延時控制在1u s內(nèi)， 且具有過壓和短路保護， 另外， 具有故障軟關(guān)斷功能。

為了得到穩(wěn)定的輸出， 在輸出端進行實時采樣。如圖4所示， 采樣電流流經(jīng)采樣電阻會產(chǎn)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(chǎn)生一個差值， 通過誤差放大器比較放大后， 輸出的差值信號和鋸齒波( 或三角波)比較， 從而改變輸出脈沖的寬度， 當輸出大于基準電壓時， 減小脈沖寬度占空比， 反之， 則增大占空比， 以實現(xiàn)能得到一個穩(wěn)定的輸出。

1.3 保護電路

考慮到開關(guān)電源的特點和實際的電氣特性， 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， 在實際的制作中充分利用UC3825的特性， 設(shè)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(xiàn)的。接通電源后， 軟啟動腳外接電容放電， 該腳處于低電平， 誤差放大器輸出低電平， 開關(guān)電源無輸出電壓。

當內(nèi)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(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， 軟啟動腳外接電容以250uA的電流放電。在軟啟動電容放完電后， 限流腳電平降到1. 2 V以下時， 故障鎖存器就不輸出脈沖。這時， 故障鎖存器復(fù)位， 芯片開始軟啟動過程。

過流保護和過壓保護是在主電路中采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(guān)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(guān)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(fā)器的S端， 當S 為高電平時， 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， 從而保護電路的過流問題。

在主電路輸出端直接實時采樣電壓， 與給定電壓比較后，把信號放大， 經(jīng)過隔離后輸入到UC3825的2腳， 控制PWM 信號的占空比， 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(tǒng)中的熱繼電器通斷來具體實現(xiàn)的， 當開關(guān)電源正常工作時， 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(huán)節(jié)的電源。該設(shè)計將電網(wǎng)的220 V 電壓接到工頻變壓器上， 為芯片UC3825, 缺相保護、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(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)的實時工作情況， 保證開關(guān)電源安全穩(wěn)定的工作。

2 實驗測試與結(jié)果

在測試實驗中， 采用可變負載車作為調(diào)試負載， 根據(jù)需要改變電阻絲的并聯(lián)條數(shù)， 對于輸出電壓、電流的控制， 可以通過改變控制板上的可變采樣電阻， 進而由UC3825調(diào)整PWM 信號的占空比， 達到預(yù)期的輸出值。調(diào)試完畢， 還要對機器進行老化試驗。該樣機的測試結(jié)果表明： 電源輸出的脈動電壓尖峰小， 輸出電流平緩穩(wěn)定， 波動幅值小， 而且具備高效節(jié)能， 體積重量小的優(yōu)點。

3 結(jié)束語

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， 對整個系統(tǒng)進行控制。同時， 設(shè)計的軟啟動電路、欠壓過壓及過流保護電路， 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)完成了實驗調(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)用提供了理論和實踐的有力保證。