文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A
文章編號(hào): 0258-7998(2011)05-0075-03
單端反激式開關(guān)電源不需要輸出濾波電感,,體積小巧,無(wú)需高壓續(xù)流二極管,,變壓器原副邊電氣隔離,,電路拓?fù)浜?jiǎn)單、成本低,、性能穩(wěn)定[1-3],,廣泛用于小功率直流電源設(shè)計(jì)中,如工業(yè)變頻驅(qū)動(dòng)設(shè)備的供電電源[4],。
由于中壓變頻,、斷提高,例如1 700 V的IGBT模塊應(yīng)用已經(jīng)非常普遍,其直流母線電壓往往高于1 000 V,。此時(shí)功率模塊的驅(qū)動(dòng)電路供電電源的方案有:(1)采用直流低電壓(+15 V),,然后通過(guò)隔離DC/DC變換得到相應(yīng)直流電壓;(2)采用隔離變壓器獲得輸出低壓交流電(AC100 V),再設(shè)計(jì)相應(yīng)的開關(guān)電源;(3)直接對(duì)高輸入直流母線電壓設(shè)計(jì)開關(guān)變壓器,。其中最后一種設(shè)計(jì)方案電源隔離效果較好,,適用于高電壓場(chǎng)合,且無(wú)需額外連線,,電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,,可靠性高。但該方案所需要解決的是輸入電壓高的問(wèn)題,,其開關(guān)器件的耐壓等級(jí)要求較高,同時(shí)原副邊電壓值差異大,導(dǎo)致變壓器設(shè)計(jì)困難,。因此,研究高直流母線電壓條件下反激式開關(guān)電源的設(shè)計(jì)方法具有重要意義,。
本文討論了高直流母線條件下開關(guān)電源的設(shè)計(jì)方法,,包括電路結(jié)構(gòu),、器件選擇和變壓器設(shè)計(jì),并提供了詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)波形,,為反激式開關(guān)電源設(shè)計(jì)提供了參考,。
1 反激式開關(guān)電源主電路結(jié)構(gòu)
本文采用的反激式開關(guān)電源電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu),如圖1所示。當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí),,變壓器原邊導(dǎo)通,,電流線性上升,磁場(chǎng)儲(chǔ)能,;當(dāng)開關(guān)管截止時(shí),,磁能向副邊釋放電能。該結(jié)構(gòu)采用UC3844電源控制芯片,通過(guò)穩(wěn)壓芯片TL431構(gòu)建電壓外環(huán),并通過(guò)采樣電阻構(gòu)成電流內(nèi)環(huán)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定電壓控制,。UC3844的6腳輸出脈寬調(diào)制信號(hào),,驅(qū)動(dòng)開關(guān)管。開關(guān)管導(dǎo)通時(shí),,原邊電流增大,,采樣電阻Rs的電壓逐漸升高并反饋回UC3844的3腳,當(dāng)此信號(hào)大于1 V(或電壓外環(huán)參考值)時(shí)將關(guān)斷脈沖輸出。同時(shí),輸出電壓通過(guò)TL431構(gòu)成反饋電壓環(huán)電路,,當(dāng)輸出電壓一旦高于設(shè)定電壓時(shí),補(bǔ)償電壓將變?yōu)榈碗娖椒答伝豒C3844的1腳,,從而關(guān)斷PWM輸出。由于UC3844輸出脈寬信號(hào)的最大占空比為50%,,因此適合于設(shè)計(jì)斷續(xù)模式的反激式開關(guān)電源,。
2 器件選擇及參數(shù)選取
由于輸入直流母線的電壓高(500 V~1 300 V),因此開關(guān)器件需采用高耐壓等級(jí)器件,。最大電壓出現(xiàn)在關(guān)斷時(shí)刻,,為母線電壓、反激電壓與漏感造成的尖峰電壓之和,??刹捎媚蛪旱燃?jí)為1 700 V的小功率IGBT模塊,如IXYS公司的IXGH6N170A,。驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)可采用圖2(a)的電路進(jìn)行設(shè)計(jì),,加速IGBT關(guān)斷過(guò)程;也可采用圖2(b)的方法,,當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)為低電平時(shí),,通過(guò)PNP管T1放電回路可快速釋放開關(guān)管內(nèi)部電容存儲(chǔ)的電荷,加快關(guān)斷過(guò)程。
緩沖電路的二極管也將承受高電壓,,最大反向電壓為開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)刻,,電壓為母線電壓與反激電壓之和。因此,二極管的耐壓等級(jí)最好選擇與開關(guān)管的耐壓等級(jí)相同,且選用恢復(fù)時(shí)間短的快速二極管,。
由于漏感的影響,,造成關(guān)斷時(shí)刻UDS出現(xiàn)尖峰電壓,而漏感在變壓器制造過(guò)程中由于開氣隙而必然存在,。為了在關(guān)斷時(shí)刻快速釋放漏感能量,,在RC電路上再并聯(lián)一個(gè)瞬態(tài)電壓抑制二極管(TVS),可以有效消除漏感影響,,保障器件的可靠運(yùn)行,。但在變壓器設(shè)計(jì)時(shí)也應(yīng)盡量減小漏感,否則瞬態(tài)抑制二極管將消耗過(guò)大功率而發(fā)熱,。瞬態(tài)抑制二極管導(dǎo)通電壓選取為略大于母線電壓與反激電壓之和,。
基于TL431的電壓反饋電路如圖3所示。TL431電路功能為:當(dāng)輸出電壓VO1經(jīng)過(guò)R1和R2的分壓小于TL431的參考電壓Vref (=2.5V)時(shí),,TL431輸出的電壓將近似等于VO1,此時(shí)光耦器件不導(dǎo)通,光耦輸出為高電平,,不影響UC3844的脈寬輸出;反之,,如果輸出電壓VO1的分壓超過(guò)Vref,則TL431輸出約為2 V,,此時(shí)光耦器件導(dǎo)通,輸出為低電平,,封鎖UC3844的輸出。如圖3所示,。
根據(jù)UC3844的閉環(huán)控制特點(diǎn),,電流環(huán)為內(nèi)環(huán),直接限制了器件的導(dǎo)通時(shí)間,,其開啟與關(guān)斷應(yīng)靈敏及時(shí),,否則可能導(dǎo)致器件瞬間過(guò)流損壞,故相應(yīng)電路的濾波時(shí)間常數(shù)取值應(yīng)比較小,。而電壓閉環(huán)為外環(huán)控制,,且由于副邊充電電容的濾波作用,電壓變化較為緩慢,,不需做快速調(diào)節(jié),,因此相應(yīng)的時(shí)間常數(shù)可取大一些。
此外,,除了通過(guò)從副邊引出一個(gè)附加電源繞組經(jīng)整流濾波后給UC3844供電外,還需要從直流母線引出一條額外的回路給充電電容,。因?yàn)樯想姇r(shí)開關(guān)管尚未工作,需要直接通過(guò)直流母線給電容充電,使得UC3844供電電壓大于16 V,UC3844才能開始工作,此后再由附加電源繞組給UC3844供電,。一般上電幾秒鐘后UC3844應(yīng)工作,,因此需要合理設(shè)置充放電時(shí)間常數(shù),由于電容僅給UC3844供電,負(fù)載較輕,,且上電充電電流較小,,電容容值不需太大,通常小于100 ?滋F,。由于VDC電壓較高,,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮器件的絕緣耐壓?jiǎn)栴},可以對(duì)預(yù)充電回路采用多個(gè)電阻串聯(lián)實(shí)現(xiàn)。
3 開關(guān)變壓器設(shè)計(jì)
開關(guān)變壓器是開關(guān)電源設(shè)計(jì)的重點(diǎn)與難點(diǎn),。開關(guān)變壓器的參數(shù)可按照常用反激式變壓器的設(shè)計(jì)步驟進(jìn)行計(jì)算[1],,但也應(yīng)考慮高輸入電壓下的特殊情況,特別是要保證器件的耐壓?jiǎn)栴},、高匝數(shù)比的問(wèn)題及初始線圈匝數(shù)多的問(wèn)題,。
為了保證變壓器工作于斷續(xù)模式下,設(shè)計(jì)斷續(xù)模式下反激式開關(guān)變壓器,應(yīng)保證開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間小于最大導(dǎo)通時(shí)間:
其中,VO為反饋繞組電壓,,Np為原邊繞組匝數(shù),,Nsm為反饋繞組匝數(shù),T為開關(guān)周期,, (VO+1)(Np/Nsm)為反激電壓,。開關(guān)器件所承受電壓為反激電壓與母線電壓之和,并且還應(yīng)留出10%以上的裕度。母線電壓最高為1 300 V,,若取反激電壓為160 V,,則器件最高電壓為1 460 V,有240 V的裕量,。把反激電壓和Vdcmin=500 V代入式(1)可得Tonmax=0.24 T,。
變壓器原邊電感Lm計(jì)算如下為:
為了增大安匝數(shù),變壓器需要開氣隙,,但應(yīng)盡量減少漏感,,以減輕緩沖回路的壓力??稍黾右粋€(gè)TVS二極管以保證器件安全,。
4 實(shí)驗(yàn)波形
按照本開關(guān)變壓器的設(shè)計(jì)方法,本設(shè)計(jì)最終完成的開關(guān)變壓器規(guī)格的輸入電壓為500 V~1 300 V,,反饋繞組輸出電壓為5 V,,多路繞組輸出電壓分別為+15 V、-15 V,,四路26 V及輔助電源繞組+16 V,,采用IGBT模塊IXGH6N170A,
PQ35/35磁芯,,開關(guān)調(diào)制信號(hào)的頻率為25 kHz,。開關(guān)管UDS與IDS波形如圖4所示,通道1為UDS波形,,通道3為IDS波形。其中母線電壓為500 V,,反激電壓為200 V,,電壓通過(guò)高壓探頭獲得,電流信號(hào)則通過(guò)電流鉗獲得,。該圖顯示了反激式開關(guān)電源各階段運(yùn)行情況,。
在接近第3個(gè)μs處,開關(guān)管開啟,,開關(guān)管兩端電壓降為0,,電流線性增加,增加到最大值時(shí)所用時(shí)間可由式(3)得到,。在5.4 μs處,,開關(guān)管關(guān)閉,其兩端電壓升高,。由于漏感影響,,關(guān)斷時(shí)刻電壓大于直流母線電壓與反激電壓之和(Vdc+VR),但由于TVS釋放能量及抑制作用,,電壓基本被限制在(Vdc+VR)之下,,穩(wěn)定后UDS電壓等于(Vdc+VR)。
對(duì)于IGBT功率模塊,,開關(guān)器件的功率損耗主要體現(xiàn)在關(guān)斷過(guò)程中[5]。開關(guān)管關(guān)斷時(shí),其UDS與IDS波形如圖5所示,。同樣通道1為UDS波形,,通道3為IDS波形。根據(jù)電流電壓波形,,近似認(rèn)為關(guān)斷過(guò)程中電流為200 mA,,電壓上升時(shí)間近似為300 ns,開關(guān)周期為25 kHz,,可計(jì)算得到開關(guān)管消耗功率為:
開關(guān)管損耗能量以熱量形式發(fā)送出去,,將引起開關(guān)管發(fā)熱。母線電壓越高,,UDS電壓上升時(shí)間越長(zhǎng),,上升電壓值越大,發(fā)熱越嚴(yán)重,,需要給IGBT管配置更大的散熱片,,同時(shí)在保證能量供給條件下盡量降低開關(guān)頻率。
變壓器多個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的電壓UDS(通道1)與電流IDS(通道3)波形如圖6所示,。在20μs~50μs之間,,緩沖電路的電容和變壓器主電感發(fā)生諧振,。
本文分析了高輸入電壓下單端反激式開關(guān)電源的設(shè)計(jì)方法與關(guān)鍵問(wèn)題,包括器件的選擇,、電路參數(shù)的設(shè)定與開關(guān)變壓器的設(shè)計(jì),,討論了器件的驅(qū)動(dòng)性能和散熱問(wèn)題,所提出的方案切實(shí)可行,。并給出了詳盡的實(shí)驗(yàn)波形,,分析了開關(guān)電源工作過(guò)程中IGBT電壓UDS與電流IDS的變化規(guī)律,實(shí)驗(yàn)波形為開關(guān)電源設(shè)計(jì)提供了很好的范例,。
此外,,在實(shí)際開關(guān)電源設(shè)計(jì)中,設(shè)計(jì)者還需要考慮器件及布線過(guò)程中的安全耐壓?jiǎn)栴},,防止距離過(guò)近造成的爬電影響,,優(yōu)化布線,減少電路中的分布電感和分布電容,。
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