低電壓大電流開關(guān)電流的設(shè)計(jì)

1 開關(guān)電源的設(shè)計(jì)

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(hù)電路、輔助電源以及顯示電路。

1．1 主電路

該設(shè)計(jì)的主電路拓?fù)浣Y(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(shí)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(duì)高頻干擾信號(hào)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(lái)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(duì)尖峰電壓進(jìn)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(gè)IGBT開關(guān)管組成橋的四臂，每個(gè)IGBT并聯(lián)1個(gè)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(shí)，變壓器產(chǎn)生的電壓尖峰，以保護(hù)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(dòng)電路簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，又有通態(tài)電壓低、耐壓高的優(yōu)點(diǎn)。開關(guān)管IGBT的柵極接收PWM信號(hào)，當(dāng)門極加正壓，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(shí)從P區(qū)注入到N區(qū)進(jìn)行電導(dǎo)調(diào)制，減小N一的電阻值，使高耐壓的
IGBT也具有低的通態(tài)壓降。在門極上加負(fù)電壓時(shí)，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，I2、 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(diǎn)。

摘要：介紹了一種以PWM控制芯片UC3825為核心的低壓大電流開關(guān)電源的設(shè)計(jì)方案，闡述了主電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及主控制電路的電路設(shè)計(jì)，并設(shè)計(jì)了軟啟動(dòng)及過壓過流保護(hù)電路，應(yīng)用反饋手段和脈寬調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了電壓、電流的穩(wěn)定輸出，并研制了1臺(tái)15 v／1 200 A的樣機(jī)。

關(guān)鍵詞：開關(guān)電源；脈寬調(diào)制；變換器

1 開關(guān)電源的設(shè)計(jì)

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(hù)電路、輔助電源以及顯示電路。

1．1 主電路

該設(shè)計(jì)的主電路拓?fù)浣Y(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(shí)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(duì)高頻干擾信號(hào)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(lái)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(duì)尖峰電壓進(jìn)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(gè)IGBT開關(guān)管組成橋的四臂，每個(gè)IGBT并聯(lián)1個(gè)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(shí)，變壓器產(chǎn)生的電壓尖峰，以保護(hù)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(dòng)電路簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，又有通態(tài)電壓低、耐壓高的優(yōu)點(diǎn)。開關(guān)管IGBT的柵極接收PWM信號(hào)，當(dāng)門極加正壓，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(shí)從P區(qū)注入到N區(qū)進(jìn)行電導(dǎo)調(diào)制，減小N一的電阻值，使高耐壓的
IGBT也具有低的通態(tài)壓降。在門極上加負(fù)電壓時(shí)，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，I2、 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(diǎn)。

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(duì)輸出進(jìn)行采樣，傳送到控制電路進(jìn)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(dòng)器、限流比較器、過流比較器、基準(zhǔn)電壓源、故障鎖存器、軟啟動(dòng)電路、欠壓鎖定等組成。UC3825最高開關(guān)頻率可達(dá)到1 MHz，輸出脈沖最大傳輸延
遲時(shí)間為50 ns，具有軟啟動(dòng)控制和欠壓鎖定等功能，應(yīng)用UC3825的功能設(shè)計(jì)開關(guān)電源的控制電路，UC3825的2個(gè)脈沖輸出端為開關(guān)管IGBT提供PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)，交替輸出脈沖。因此，每個(gè)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 kHz，所以輸出PWM脈沖的頻率為100 kHz，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(shí)間，因此實(shí)際應(yīng)用中一般達(dá)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(dòng)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(dòng)電路如圖3所示。

在實(shí)際應(yīng)用中，IGBT的驅(qū)動(dòng)電路對(duì)IGBT的工作好壞具有相當(dāng)大的影響，因此，驅(qū)動(dòng)電路要具有幾點(diǎn)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(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)；信號(hào)傳輸基本無(wú)延時(shí)，提高工作速度；當(dāng)出現(xiàn)異常情況時(shí)，IGBT能實(shí)現(xiàn)軟關(guān)斷，對(duì)管子進(jìn)行過壓、過流保護(hù)。使用的驅(qū)動(dòng)電路能夠提供+15 V和一15 V的正向和反向電壓，開通和關(guān)斷延時(shí)控制在1 s內(nèi)，且具有過壓和短路保護(hù)，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(jìn)行實(shí)時(shí)采樣。如圖4所示，采樣電流流經(jīng)采樣電阻會(huì)產(chǎn)生一個(gè)壓降，將該壓降作為反饋信號(hào)，輸入到電壓比較器，與給定的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，產(chǎn)生一個(gè)差值，通過誤差放大器比較放大后，輸出的差值信號(hào)和鋸齒波(或三角波)比較，從而改變輸出脈沖的寬度，當(dāng)輸出大于

基準(zhǔn)電壓時(shí)，減小脈沖寬度占空比，反之，則增大占空比，以實(shí)現(xiàn)能得到一個(gè)穩(wěn)定的輸出。

1．3 保護(hù)電路

考慮到開關(guān)電源的特點(diǎn)和實(shí)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(shí)際的制作中充分利用UC3825的特性，設(shè)計(jì)了電壓電流保護(hù)電路以及軟啟動(dòng)保護(hù)等保護(hù)電路。軟啟動(dòng)是通過軟啟動(dòng)(SOFT、START)腳的外接電容實(shí)現(xiàn)的。接通電源后，軟啟動(dòng)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(wú)輸出電壓。當(dāng)內(nèi)部電流源給軟啟動(dòng)腳外接電容充電時(shí)，