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。

功率主電路

圖1 功率主電路原理圖

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)EMI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?dāng)_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(dá)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(fù)載電流，VL為輸出負(fù)載電壓，VM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VA=Vin/2。

當(dāng)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VT1放電;當(dāng)VT2導(dǎo)通、VT1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VT2放電。

當(dāng)VT1導(dǎo)通、VT2截止時，VT2兩端承受的電壓為輸入直流電壓Vin。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)。

PWM集成芯片SG3525的功能特點

SG3525是一款功能齊全、通用性強(qiáng)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(zhǔn)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RT(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)RD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(dāng)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(zhǔn)電壓Vref由恒流源供電，達(dá)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。

SG3525的應(yīng)用電路及工作原理

圖3 SG3525外圍控制電路

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。

如圖3，電壓反饋電路通過光電耦合器實現(xiàn)了強(qiáng)電輸出部分與弱電控制部分的隔離。光電耦合器采用的是Hp4504,當(dāng)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(dāng)輸出電壓Uout升高時，光電耦合器的輸出端發(fā)射極電流Ie呈線性增大，使發(fā)射極電壓Ve增大，通過C2、C3、R4、R5的濾波穩(wěn)壓后輸入到引腳1的V1也隨之增大。當(dāng)V1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Uout降低；反之，當(dāng)Uout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?？傊?，1腳電壓V1的增大與減小反映了輸出電壓Uout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(dāng)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(dāng)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Vi與給定的限流基準(zhǔn)電壓Urefi作比較，外接負(fù)載變化使輸出電流Uout變化時，Vi也會相應(yīng)的改變。當(dāng)Iout增大使Vi大于Vrefi時，運算放大器L1A的輸出端Vb為低電平。此時，L2A的輸出端V2將被直接拉低為低電平，2腳相當(dāng)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V2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(dá)到輸出電流的動態(tài)平衡過程。

圖4 賽米控SKYPER32PRO驅(qū)動模塊

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(Semikron)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(hù)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(jìn)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。

樣機(jī)研制

主要技術(shù)指標(biāo)：

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(jī)額定負(fù)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

結(jié)論

利用SG3525和SKYPER32PRO的強(qiáng)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(fù)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(biāo)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)。