1開關(guān)電源的設(shè)計

開關(guān)電源的基本結(jié)構(gòu)重要由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)計的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，輸入市網(wǎng)220V電壓，通過RC濾波及整流橋整流、全橋逆變、高頻變壓器、輸出整流以實現(xiàn)AC/DC/AC/DC的變換過程，最終得到所要的15V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)電源對高頻干擾信號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，消除來自電網(wǎng)的各種干擾，輸入的220V市電首先經(jīng)RC濾波電路，對尖峰電壓進(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容具有充放電用途，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IGBT開關(guān)管組成橋的四臂，每個IGBT并聯(lián)1個高速功率二極管，其鉗位用途以減小開關(guān)管由導(dǎo)通轉(zhuǎn)換為截止時，變壓器出現(xiàn)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)動電路簡單的優(yōu)點，又有通態(tài)電壓低、耐壓高的優(yōu)點。開關(guān)管IGBT的柵極接收pWM信號，當(dāng)門極加正電壓，MOSFET內(nèi)形成溝道，并為pNp晶體管供應(yīng)基極電流，從而使IGBT導(dǎo)通。此時從p區(qū)注入到N區(qū)進(jìn)行電導(dǎo)調(diào)制，減小N-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，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T2、T3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。

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、軟啟動電路、欠壓鎖定等組成。

UC3825最高開關(guān)頻率可達(dá)到1MHz,輸出脈沖最大傳輸延遲時間為50ns,具有軟啟動控制和欠壓鎖定等功能，應(yīng)用UC3825的功能設(shè)計開關(guān)電源的控制電路，UC3825的2個脈沖輸出端為開關(guān)管IGBT供應(yīng)pWM驅(qū)動信號，交替輸出脈沖。因此，每個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200kHz,所以輸出pWM脈沖的頻率為100kHz,輸出脈沖占空比在0%~50%以內(nèi)調(diào)整，為了防止橋臂短路，常設(shè)置死區(qū)時間，因此實際應(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)動電路如圖3所示。

在實際應(yīng)用中，IGBT的驅(qū)動電路對IGBT的工作好壞具有相當(dāng)大的影響，因此，驅(qū)動電路要具有幾點要求：能供應(yīng)合適的正反向電壓，保證管子可靠的開通和關(guān)斷;動態(tài)驅(qū)動能力強(qiáng);信號傳輸基本無延時，提高工作速度;當(dāng)出現(xiàn)異常情況時，IGBT能實現(xiàn)軟關(guān)斷，對管子進(jìn)行過壓、過流保護(hù)。使用的驅(qū)動電路能夠供應(yīng)+15V和-15V的正向和反向電壓，開通和關(guān)斷延時控制在1us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)行實時采樣。如圖4所示，采樣電流流經(jīng)采樣電阻會出現(xiàn)一個壓降，將該壓降作為反饋信號，輸入到電壓比較器，與給定的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，出現(xiàn)一個差值，通過誤差放大器比較放大后，輸出的差值信號和鋸齒波(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，減小脈沖寬度占空比，反之，則增大占空比，以實現(xiàn)能得到一個穩(wěn)定的輸出。

1.3保護(hù)電路

考慮到開關(guān)電源的特點和實際的電氣特性，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，在實際的制作中充分利用UC3825的特性，設(shè)計了電壓電流保護(hù)電路以及軟啟動保護(hù)等保護(hù)電路。軟啟動是通過軟啟動(SOFT、START)腳的外接電容實現(xiàn)的。接通電源后，軟啟動腳外接電容放電，該腳處于低電平，誤差放大器輸出低電平，開關(guān)電源無輸出電壓。

當(dāng)內(nèi)部電流源給軟啟動腳外接電容充電時，誤差放大器輸出電壓逐漸升高，直到閉環(huán)調(diào)節(jié)功能開始工作，開關(guān)電源輸出電壓逐漸升高到額定值。一旦限流(ILIM)腳的電平超過1.2V,故障鎖存器置位，輸出腳變?yōu)榈碗娖?同時，軟啟動腳外接電容以250uA的電流放電。在軟啟動電容放完電后，限流腳電平降到1.2V以下時，故障鎖存器就不輸出脈沖。這時，故障鎖存器復(fù)位，芯片開始軟啟動過程。

過流保護(hù)和過壓保護(hù)是在主電路中采樣輸入到保護(hù)電路中，對電源起到保護(hù)用途。保護(hù)電路如圖5、圖6所示。

在開關(guān)變換電路和高頻變壓器之間加上一個檢測電流的互感器，將檢測量輸入到UC3825的9腳限流端，當(dāng)檢測到開關(guān)電流達(dá)到上限電流時，上限電流比較器輸出為高電平，比較器的輸出就是上限電流觸發(fā)器的S端，當(dāng)S為高電平時，觸發(fā)器輸出為高，即觸發(fā)器輸出連接的NpN管子基極變高，NpN管子導(dǎo)通，F(xiàn)B被拉低，從而保護(hù)電路的過流問題。

在主電路輸出端直接實時采樣電壓，與給定電壓比較后，把信號放大，經(jīng)過隔離后輸入到UC3825的2腳，控制pWM信號的占空比，從而控制主電路輸出電壓的變化。

過熱保護(hù)是通過檢驗系統(tǒng)中的熱繼電器通斷來具體實現(xiàn)的，當(dāng)開關(guān)電源正常工作時，熱繼電器處于常通狀態(tài)，一旦溫度過熱，超過額定值，熱繼電器開關(guān)會斷開，通斷的信號會反饋到控制電路中，達(dá)到過熱保護(hù)的用途。

1.4輔助電源

輔助電源是給控制電路供電的，分為2部分：一部分是UC3825以及其他控制部分的電源，控制部分的輔助電源。另一部分是電壓反饋環(huán)節(jié)的電源。該設(shè)計將電網(wǎng)的220V電壓接到工頻變壓器上，為芯片UC3825,缺相保護(hù)、欠壓、過壓保護(hù)等電路供應(yīng)5V、12V、18V等工作電壓。

1.5顯示電路

在開關(guān)電源的控制面板上，設(shè)有電流表、電壓表，顯示輸出的電流值、電壓值，輔助電源給電流表，電壓表供應(yīng)5V電壓驅(qū)動數(shù)碼管，顯示面板上還設(shè)置了過熱、缺相、異常指示燈、恒流恒壓轉(zhuǎn)換開關(guān)。作為外在顯示部分，可以清楚地觀察到系統(tǒng)的實時工作情況，保證開關(guān)電源安全穩(wěn)定的工作。

2實驗測試與結(jié)果

在測試實驗中，采用可變負(fù)載車作為調(diào)試負(fù)載，根據(jù)要改變電阻絲的并聯(lián)條數(shù)，關(guān)于輸出電壓、電流的控制，可以通過改變控制板上的可變采樣電阻，進(jìn)而由UC3825調(diào)整pWM信號的占空比，達(dá)到預(yù)期的輸出值。調(diào)試完畢，還要對機(jī)器進(jìn)行老化試驗。該樣機(jī)的測試結(jié)果表明：電源輸出的脈動電壓尖峰小，輸出電流平緩穩(wěn)定，波動幅值小，而且具備高效節(jié)能，體積重量小的優(yōu)點。

3結(jié)束語

開發(fā)了15V/1200A的低電壓大電流的大功率開關(guān)電源，采用脈寬調(diào)制芯片UC3825作為控制核心，對整個系統(tǒng)進(jìn)行控制。同時，設(shè)計的軟啟動電路、欠壓過壓及過流保護(hù)電路，新增開關(guān)電源工作的可靠性和穩(wěn)定性。目前系統(tǒng)已經(jīng)完成了實驗調(diào)試，主電路已經(jīng)能夠安全穩(wěn)定的帶載工作，該設(shè)計為高頻開關(guān)電壓在電鍍行業(yè)中的應(yīng)用供應(yīng)了理論和實踐的有力保證。