引言

本文介紹了以SG3525為控制核心、全橋變換器為主電路、輸出直流電流45~90A可調(diào)的大電流低電壓直流開關(guān)電源的設(shè)計(jì)，其輸出電壓可在5~15V自動(dòng)調(diào)整以適應(yīng)負(fù)載變化，從而保持恒定的輸出電流。

1、電源總體設(shè)計(jì)

電源為恒流源工作方式，其輸出電流可在45~90A連續(xù)可調(diào)，并穩(wěn)定工作，最大輸出功率1.35kW，采用PWM控制，開關(guān)頻率30kHz。

圖1是電源框架圖，圖中未畫出保護(hù)電路框圖。單相220V交流輸入經(jīng)工頻整流、濾波后向DC/DC全橋變換器供電。在電源合閘接入電源電壓瞬間，由于電容器上的初始電壓為零，電容器初始充電會(huì)形成很大的瞬間沖擊電流，軟啟動(dòng)電路用于防止該瞬間沖擊電流，改善電源啟動(dòng)性能，保護(hù)EMI濾波器、工頻整流器件及電容器等，以保證開關(guān)電源正常而可靠運(yùn)行。DC/DC全橋變換器主要由四個(gè)開關(guān)管組成的橋式逆變電路、高頻變壓器、輸出高頻整流及濾波電路組成，橋式逆變電路在控制及驅(qū)動(dòng)電路作用下，將直流轉(zhuǎn)換成高頻方波交流，再經(jīng)高頻變壓器降壓以及副邊高頻整流、濾波后輸出直流。電源控制電路由專用集成芯片SG3525及其外圍電路構(gòu)成PWM調(diào)制，經(jīng)光電隔離、功率放大后直接驅(qū)動(dòng)全橋變換器開關(guān)管，由于電源工作在恒流方式，且電流較大，所以應(yīng)用電流傳感器采樣輸出直流電流作為控制信號(hào)，反饋到控制電路，以實(shí)現(xiàn)PWM調(diào)制，達(dá)到穩(wěn)定輸出電流的目的。

2、主電路設(shè)計(jì)

本電源主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示，由于該電源具有大電流低電壓的特點(diǎn)，對(duì)高頻干擾信號(hào)以及合閘瞬間的浪涌電流非常敏感，因此220VAC/50Hz交流電整流前先經(jīng)EMI濾波器濾波，大大減小了交流電源輸入的電磁干擾，同時(shí)防止開關(guān)電源產(chǎn)生的諧波串?dāng)_到輸入電源端。

高頻變壓器是DC/DC全橋變換器的核心磁性元件，許多其它主電路元器件的參數(shù)設(shè)計(jì)都依賴于變壓器的參數(shù)，對(duì)其進(jìn)行合理優(yōu)化設(shè)計(jì)非常重要。本電源的高頻變壓器設(shè)計(jì)采用AP法，AP就是指磁芯有效截面積和線圈有效窗口面積的乘積。磁芯選用一對(duì)E型軟磁鐵氧體，考慮到變換器工作頻率，磁芯工作磁感應(yīng)強(qiáng)度BW設(shè)計(jì)為0.16T，根據(jù)電源主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，高頻變壓器的計(jì)算功率為：

式中AW為磁芯窗口面積;Ae為磁芯有效截面積;K0為窗口使用系數(shù)，一般典型值取0.4;Kf為波形系數(shù)，本變壓器原副邊繞組波形為方波，取Kf=4;fs為變壓器工作頻率(Hz);J為繞組導(dǎo)線電流密度，設(shè)計(jì)為400A/cm2。選用的EE磁芯AP值應(yīng)大于計(jì)算值，由于副邊電流較大，并繞的漆包線根數(shù)多，占用窗口面積大，最終選用磁芯為TDK的PC40EE70型磁芯。繞制工藝采用原副邊交叉繞(兩段式全包)，以實(shí)現(xiàn)變壓器原副邊繞組的緊密耦合，減小漏感，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明滿足設(shè)計(jì)要求。

DC/DC全橋變換器的高頻整流采用全橋整流，因?yàn)檩敵鲭妷罕容^低而電流比較大，二極管采用200A/60V的肖特基二極管MBRP20060CT，每只二極管均設(shè)置有RC吸收電路。輸出濾波采用LC濾波，其濾波電感Lf采用AP法設(shè)計(jì)，最終繞制的Lf電感值為24.8μH、ESR為0.001Ω。

3、控制及驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

電壓控制模式集成芯片SG3525是美國(guó)半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的一種功能齊全、通用性強(qiáng)的單片集成PWM芯片，采用恒頻脈寬調(diào)制(PWM)方案，適用于多種開關(guān)電源的控制。本文設(shè)計(jì)的大電流開關(guān)電源的控制電路以SG3525為核心，采用PWM控制方式，電路如圖3所示。SG3525的振蕩頻率f設(shè)定為60kHz，f取決于5腳外接的定時(shí)電容CT、6腳外接的定時(shí)電阻RT以及7腳與5腳之間的放電電阻RD的大小，它們之間的關(guān)系滿足下式：

式中CT、RT、RD取值分別為4700pF、4.7kΩ、200Ω，振蕩頻率為62kHz，11腳和14腳輸出的PWM驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)頻率為31kHz。11腳和14腳輸出脈沖之間的死區(qū)時(shí)間tD不僅與7腳與5腳之間放電電阻RD的大小有關(guān)，還與定時(shí)電阻RT有關(guān)，本電路中死區(qū)時(shí)間約3μs。

電源輸出直流電流經(jīng)霍爾電流傳感器CS(圖2中所示)采樣后轉(zhuǎn)換成直流電壓作為反饋信號(hào)uf，再經(jīng)集成運(yùn)放比例放大后輸入到SG3525誤差放大器的反相輸入端1腳，芯片內(nèi)部5.1V基準(zhǔn)電壓源Vref經(jīng)電阻R10、RV1、R11分壓后輸入到誤差放大器的同相輸入端2腳，形成差分輸入，誤差放大器的輸出端即芯片內(nèi)部PWM比較器的輸入端9腳經(jīng)R8、C7反饋到1腳，構(gòu)成PI調(diào)節(jié)，以此來(lái)調(diào)整IGBT驅(qū)動(dòng)信號(hào)占空比，從而達(dá)到穩(wěn)定輸出電流的目的。此外，輸出過(guò)壓、過(guò)流、過(guò)熱等故障經(jīng)電路處理后形成保護(hù)信號(hào)up輸入到SG3525的外部控制端10腳，一旦up為高電平，芯片內(nèi)部工作被關(guān)斷，11腳和14腳輸出的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)被關(guān)閉，主電路IGBT關(guān)斷，從而實(shí)現(xiàn)主電路保護(hù)功能。

IGBT驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示。SG3525輸出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)高速光耦U3隔離后，輸入到兩只三極管Q1、Q2構(gòu)成的功放電路進(jìn)行功率放大，以提高驅(qū)動(dòng)信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力，保證IGBT可靠導(dǎo)通，功放的輸出經(jīng)IGBT柵極電阻RG接到柵極。柵極負(fù)偏壓電路由限流電阻R17、9.1V穩(wěn)壓二極管DZ以及濾波電容C11構(gòu)成，可在IGBT關(guān)斷時(shí)提供給柵極9.1V的負(fù)偏壓。另外，為了防止IGBT柵極與發(fā)射極之間開路而意外損壞IGBT，在其柵極和發(fā)射極之間并接有電阻R18，其阻值為39kΩ。實(shí)際應(yīng)用中，IGBT的柵極驅(qū)動(dòng)電壓VCE通常推薦使用+15V，本設(shè)計(jì)中VCE取值為+15V。當(dāng)SG3525輸出脈沖為高電平時(shí)，光耦輸出三極管集電極為高電平，功放電路中三極管Q1導(dǎo)通、Q2截止，施加在IGBT柵極與發(fā)射極之間電壓為+15V，IGBT導(dǎo)通;當(dāng)SG3525輸出脈沖為低電平時(shí)，光耦輸出三極管集電極為低電平，功放電路中三極管Q1截止、Q2導(dǎo)通，施加在IGBT柵極與發(fā)射極之間電壓為-9V，IGBT關(guān)斷。

4、電源試驗(yàn)

圖5(a)、(b)分別是輸出電流45A時(shí)全橋變換器兩個(gè)橋臂中點(diǎn)A與B之間的電壓uAB波形、霍爾電流傳感器輸出的反饋信號(hào)uf波形。圖5(a)表明電源的全橋變換器實(shí)際工作情況與理論相符，uAB波形正負(fù)半周對(duì)稱，由于變壓器存在漏感，因此uAB波形正負(fù)半周均存在一個(gè)復(fù)位電壓[15]，如圖中較狹窄的電壓方波?；魻栯娏鱾鞲衅髟叀⒏边呍驯仁?:2000，傳感器輸出端采樣電阻為精度1%的金屬膜電阻，阻值為30Ω，由圖5(b)可見，電源輸出電流約為45A。

圖6(a)、(b)分別是輸出電流90A時(shí)全橋變換器兩個(gè)橋臂中點(diǎn)A與B之間電壓uAB波形、霍爾電流傳感器輸出的反饋信號(hào)uf波形。由圖6(b)可見，電源輸出電流約為90A。

此外，試驗(yàn)結(jié)果也表明，通過(guò)調(diào)節(jié)控制電路中的電位器RV1，電源輸出電流能從45A連續(xù)變化到90A，且能穩(wěn)定工作。

5、結(jié)束語(yǔ)

本文以電壓控制模式集成芯片SG3525為控制核心、DC/DC全橋變換器為主電路，設(shè)計(jì)了一臺(tái)最大輸出功率1.35kW、輸出電流從45A到90A連續(xù)可調(diào)的直流開關(guān)電源樣機(jī)，本電源結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)試方便，所需器件較小。最終試驗(yàn)結(jié)果表明，本電源能可靠穩(wěn)定工作，輸出直流電流能從45A到90A連續(xù)可調(diào)，能滿足對(duì)直流開關(guān)電源輸出電壓紋波要求不高的小型污水處理等環(huán)保場(chǎng)合，具有較好的應(yīng)用前景。