引言

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

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，同時防止開關電源產生的諧波串擾到輸入電源端。再經過橋式整流電路、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器件改由兩個容量相等的電容C1和C2代替。在實際應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組成的電容組。C1、C2的容量選值應盡可能大，以減小輸出電壓的紋波系數和低頻振蕩。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，VL為輸出負載電壓，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在這里實現了靜態時分壓，使VA=Vin/2。

當VT1導通、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VT2導通、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VT1導通、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吸收網絡，降低開關管的開關應力，減小IGBT關斷產生的尖峰電壓；并聯二極管實現續流的作用。二次整流采用單相橋式整流電路，通過后續的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、大容量的電容并聯組成，以提高電源的可靠性，使輸出直流電壓更加平穩。

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。它采用恒頻脈寬調制控制方案，適合于各種開關電源、斬波器的控制。其主要功能包括基準電壓產生電路、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，一般通過改變CT和RT(見圖2)的值來調節PWM波的輸出頻率，其頻率的計算公式為：

(2)死區時間可調，通過調節RD即可改變死區時間的大小，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，防止出現過壓、過流、過熱故障時對電路產生危害。

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

(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。該電容器內部的基準電壓Vref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)內置PWM(脈寬調制)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，系統的可靠性高。

SG3525的應用電路及工作原理

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

圖3 SG3525外圍控制電路

如圖3，電壓反饋電路通過光電耦合器實現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Hp4504，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系，設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Uout升高時，光電耦合器的輸出端發射極電流Ie呈線性增大，使發射極電壓Ve增大，通過C2、C3、R4、R5的濾波穩壓后輸入到引腳1的V1也隨之增大。當V1增大時，經誤差放大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。總之，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，最終都表現在11、 14腳輸出PWM脈沖的寬窄變化上，以實現電路的自動穩壓調節。

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，同時在穩壓效果上也能與電壓傳感器相媲美，在實際應用當中，不失為一種可取的方法。

圖4 賽米控SKYPER32PRO驅動模塊

通過輸出端電流傳感器得到的電流采樣信號Vi與給定的限流基準電壓Urefi作比較，外接負載變化使輸出電流Uout變化時，Vi也會相應的改變。當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腳相當于接地，輸出端11和14腳無脈沖輸出，開關電源出現“打嗝”現象，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腳恢復脈沖輸出，開關電源正常工作，以此達到輸出電流的動態平衡過程。

IGBT的驅動電路

IGBT的觸發和關斷要求給其柵極和發射極之間加上正向和反向電壓，并且需要一定的動態驅動功率，才能保證IGBT的及時觸發和關斷。

本電源的IGBT驅動采用賽米控(Semikron)SKYPER32PRO驅動模塊。該控制核是一個半橋式驅動模塊，集驅動、內部隔離、電氣保護于一體。

與同類型的產品相比，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動信號和狀態信號，并將能量傳遞到副邊。

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

(3)采用單電源供電模式，同時對驅動橋臂的雙邊供電。

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

(5)具有VCE監測、欠壓監測、欠壓復位和死區互鎖功能等。

樣機研制

主要技術指標：

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)實際讀數可知，輸出電壓從0V上升到220V的響應時間為1s左右，電源系統具有較快的響應速度。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

結論

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