鉅大LARGE | 點擊量：1405次 | 2020年05月15日
并聯(lián)型高頻開關(guān)直流電源的系統(tǒng)設(shè)計
0概述
近幾年來，各式各樣的開關(guān)電源以其小巧的體積、較高的功率密度和高效率越來越得到廣泛的應(yīng)用。隨著電力系統(tǒng)自動化程度的提高，特別是其保護裝置的微機化，通訊裝置的程控化，對電源的體積和效率的要求不斷提高。電源中磁性元件和散熱器件成了提高功率密度的巨大障礙。開關(guān)頻率的提高可以使開關(guān)變換器(特別是變壓器、電感等磁性元件以及電容)的體積、重量大為減小，從而提高變換器的功率密度。另外，提高開關(guān)頻率可以降低開關(guān)電源的音頻噪聲和改善動態(tài)響應(yīng)。但是由于開關(guān)管的通斷控制與開關(guān)管上流過的電流和兩端所加的電壓無關(guān)，而早期的脈寬調(diào)制(pWM)開關(guān)電源工作在硬開關(guān)模式，在硬開關(guān)中功率開關(guān)管的開通或關(guān)斷是在器件上的電壓或電流不等于零的狀態(tài)下強迫進行的，電路的開關(guān)損耗很大，開關(guān)頻率越高，損耗越大，不但新增了熱設(shè)計的難度而且大大降低了系統(tǒng)得可靠性，這使得pWM開關(guān)技術(shù)的高頻化受到了許多的限制。
根據(jù)高頻電力操作電源的設(shè)計要求，結(jié)合實際的相關(guān)經(jīng)驗和實驗結(jié)果選擇合適的開關(guān)器件，設(shè)計出穩(wěn)定可靠、性能優(yōu)越的控制電路、驅(qū)動電路、緩沖電路以及重要的磁性元器件。對最大電流自動均流法的工作原理以及系統(tǒng)穩(wěn)定性進行了較為深入的研究。采用均流控制芯片UC3907設(shè)計了電源的均流控制電路，使模塊單元具有可并聯(lián)功能，可以實現(xiàn)多電源模塊并聯(lián)組成更大功率的電源系統(tǒng)。
1系統(tǒng)原理的設(shè)計思想
在設(shè)計大型的開關(guān)電源模塊時，首先要對系統(tǒng)有一個整體的規(guī)劃，以便于設(shè)計整體結(jié)構(gòu)及相應(yīng)的輔助電源。高頻開關(guān)直流電源系統(tǒng)的總體框圖。（如圖1）。
2控制主電路設(shè)計
2.1電壓電流雙環(huán)控制
圖2平均電流模式控制原理圖
控制方式有恒壓和恒流兩種工作方式。當(dāng)D1導(dǎo)通時，電路工作在恒流模式，此時，電壓環(huán)不起用途，電路相當(dāng)于單環(huán)控制。當(dāng)D1截止時，電路工作在恒壓模式下，電路采用串級雙環(huán)控制，電流環(huán)作為電壓環(huán)的內(nèi)環(huán)，電壓環(huán)pI調(diào)節(jié)器的輸出Ue作為電流環(huán)pI調(diào)節(jié)器的給定。其電路方框圖（如圖3）所示，在設(shè)計參數(shù)時，先設(shè)計電流環(huán)的調(diào)節(jié)器，獲得穩(wěn)定的內(nèi)環(huán)，然后得到電流環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)Tic(s)，并將其作為電壓環(huán)的一個環(huán)節(jié)，（如圖4）所示，然后設(shè)計電壓環(huán)的調(diào)節(jié)器。這種控制方式的最大的優(yōu)點是很好地解決了電路的限流問題，使電路具有最快的限流響應(yīng)速度。而且可以通過調(diào)節(jié)電阻R3，減小D1管壓降的變化量，以提高這種控制方式的穩(wěn)流精度。
H為輸出電壓采樣系數(shù)，
Ki為電感電流采樣系數(shù)；
FM為脈寬調(diào)制器的傳遞函數(shù)，F(xiàn)M=1/Upp，（Upp為三角波峰峰值）；
圖3雙環(huán)控制模式下的電路方框圖
圖4電壓外環(huán)等效方框圖
GV(s)為電壓環(huán)pI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)：
Gi(s)為電流環(huán)pI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)：
Gdi(s)為主電路的占空比對電感電流的開環(huán)傳遞函數(shù)
忽略輸出濾波電感電容的等效電阻的影響
式中：
Udc輸入直流母線電壓；
n為副邊與原邊的匝比
L為輸出濾波電感值；
RL為濾波電感的電阻；
C為輸出濾波電容；
RC為濾波電容的串聯(lián)等效電阻；
R為負載電阻。
Z(s)為負載和輸出電容支路的并聯(lián)阻抗：
由圖3可得，電流環(huán)（內(nèi)環(huán)）的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：
然后由等效方框圖圖4可得，補償前電壓環(huán)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：
[page]3控制電路設(shè)計
采用集成芯片UC3525外加運放構(gòu)成平均電流模式控制電路并用單片UC3525外加邏輯電路的方式形成有限雙極性控制的4路控制信號（如圖5）。
1）外環(huán)控制。電壓給定信號與輸出電壓反饋信號經(jīng)運放U1補償比較得Ue，接到UC3525的內(nèi)部誤差放大器正相輸入端2腳作為反饋電流的控制信號Uip。當(dāng)輸出電流超過給定限流值時，D11導(dǎo)通，Uip被嵌在給定限流值上。
2）內(nèi)環(huán)控制。采樣電阻檢測輸出電流并通過電流檢測放大器得電流反饋信號。接到UC3525的內(nèi)部誤差放大器反相輸入端的1腳，與Uip進行比較。UC3525的9腳為反饋補償端。
3）有限雙極性控制。UC3525的4腳為同步信號輸出，該信號作為D觸發(fā)器U3的時鐘信號，U3的Q端(1腳)和端(2腳)既可得到占空比為50％相位相差180的兩組脈沖，Q11、Q12用于控制死區(qū)時間。
圖5單片UC3525構(gòu)成有限雙極性控制原理圖
4驅(qū)動電路設(shè)計
在IGBT的使用過程中，驅(qū)動電路選擇的合理性和設(shè)計是否正確是影響其推廣使用的問題之一。IGBT的通態(tài)電壓、開關(guān)時間、開關(guān)損耗、承受短路能力以及dv/dt電流等參數(shù)均與門極驅(qū)動條件密切相關(guān)。
IGBT的驅(qū)動電路原理圖如圖6所示。
圖中Q1為由控制電路出現(xiàn)的驅(qū)動信號輸入，fault為本驅(qū)動電路在檢測到過流等故障時發(fā)出的故障檢測信號。C1、G1、E1分別接IGBT的源柵漏級。驅(qū)動電路的供電，采用單電源加穩(wěn)壓管的方式。
關(guān)于M57962AL驅(qū)動電路，在以下兩種情況容易導(dǎo)致驅(qū)動電路失去負偏壓：一是出現(xiàn)負偏壓的穩(wěn)壓二極管D2被擊穿短路；二是驅(qū)動電路在單電源供電時，因失去電源供電電壓的時候。此時若按傳統(tǒng)的M57962AL單電源供電的典型接法（如圖7），并沒有保護信號給出，易造成IGBT的損壞
圖6IGBT的驅(qū)動電路原理圖
針對上述所說的情況，對M57962AL的外圍電路進行了一些改進（如圖7）所示。在正常情況下，D4導(dǎo)通，M57962AL的8腳為高電平，D1截止，VT導(dǎo)通，光耦輸出呈低阻態(tài)，故障信號為低電平，表現(xiàn)為無故障。過流保護時，D4截止，M57962AL的8腳為低電平，D1導(dǎo)通，VT截止，光耦輸出呈高阻態(tài)，故障信號為高電平，表現(xiàn)為有故障發(fā)生。假如穩(wěn)壓二極管D2擊穿短路，則D4截止，VT截止，光耦輸出呈高阻態(tài)，同樣給出故障信號。假如驅(qū)動電路失去+24V電壓，則光耦無電流流過，仍然表現(xiàn)為故障保護。這樣就防止了IGBT因為失去負偏壓或者失去供電而導(dǎo)致?lián)p壞。
圖7M57962AL的典型接法
5結(jié)束語
針對高頻開關(guān)電力操作電源的技術(shù)要求，對開關(guān)電源的控制電路、驅(qū)動電路、緩沖電路及重要磁元件進行了設(shè)計、優(yōu)化。隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，也必將推動高頻開關(guān)電源朝著更大規(guī)模的方向發(fā)展。
參考文獻
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