開(kāi)關(guān)電源應(yīng)用了半導(dǎo)體變流、電子及電磁、自動(dòng)控制等電力電子技術(shù)

輔助電源，也就是交直交主回路意外的其他變換電源，一般我們習(xí)慣叫開(kāi)關(guān)電源。開(kāi)關(guān)電源綜合應(yīng)用了半導(dǎo)體變流技術(shù)、電子及電磁技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)等電力電子技術(shù)，它和線性穩(wěn)壓電源相比，具有功耗小、效率高、體積小、重量輕、穩(wěn)壓范圍寬等突出的特點(diǎn)，因而被廣泛應(yīng)用變頻器的輔助電源。但開(kāi)關(guān)電源突出缺點(diǎn)是產(chǎn)生較強(qiáng)的電磁干擾EMI。它產(chǎn)生的EMI信號(hào)，既占有很寬的頻率范圍，又有一定的幅度。這些EMI信號(hào)經(jīng)過(guò)傳導(dǎo)和輻射方式污染電磁環(huán)境，對(duì)通訊設(shè)備和電子儀器造成千擾。如果處理不當(dāng)，開(kāi)關(guān)電源本身就會(huì)變成一個(gè)子擾源。

由于IGBT模塊化的程度越來(lái)越高，主回路的設(shè)計(jì)不再那么復(fù)雜，反倒是開(kāi)關(guān)電源這塊兒顯得更為難搞。今天我們就來(lái)簡(jiǎn)單聊一聊開(kāi)關(guān)電源部分。

之前我們?cè)?a target="_blank">DC-DC部分講過(guò)幾個(gè)主要的電路拓?fù)?，有聊過(guò)正激和反激兩種轉(zhuǎn)換方式，而對(duì)于小功率開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)中，單端反激式變換器是應(yīng)用最為廣泛的一種拓?fù)洌嗦份敵鲚^為方便。

02單端反激式原理

我們?cè)趤?lái)簡(jiǎn)單地了解一下單端反激式的變換原理，下面是一個(gè)簡(jiǎn)單的電路圖:

單端反激變換電路是脈沖變壓器原副邊隔離多輸出的結(jié)構(gòu)，原邊開(kāi)關(guān)Q1導(dǎo)通，從同名端的標(biāo)注可知，副邊感應(yīng)電壓因二極管D反向不能產(chǎn)生回路電流，原邊輸入能量以磁能形式存儲(chǔ)在隔離變壓器(也是電感器)中；當(dāng)開(kāi)關(guān)Q1斷開(kāi)時(shí)，二極管D正向偏置導(dǎo)通，副邊對(duì)電容充電和對(duì)負(fù)載供電的電流。由于開(kāi)關(guān)Q1與二極管D的工作相位相反，即開(kāi)關(guān)Q1關(guān)斷時(shí)D開(kāi)通，耦合能量經(jīng)副邊傳至負(fù)載，因此稱(chēng)作反激式變換器。該電路的優(yōu)點(diǎn)就是簡(jiǎn)單，只需要一個(gè)磁元件，一個(gè)開(kāi)關(guān)就可以完成多輸出隔離，降、升壓的要求。

該電路的磁元件設(shè)計(jì)有一定要求，它既是隔離變壓器，又是儲(chǔ)能的電感，在多繞組輸出時(shí)要求有良好的交叉調(diào)節(jié)特性（即副邊繞組相互之間耦合?。?。由于隔離變壓器具有儲(chǔ)能作用，為了使磁芯不易飽和，一般使用軟磁粉末壓制的磁芯并增加磁芯氣隙來(lái)增大磁芯的儲(chǔ)能，使其不易達(dá)到飽和。

這里使用了反饋回路進(jìn)行輸出電壓控制，確保不同負(fù)載下輸

出電壓的穩(wěn)定(普遍都會(huì)有此反饋)。

接下來(lái)我們以一個(gè)例子來(lái)聊聊反激式開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)步驟。

03設(shè)計(jì)和計(jì)算

設(shè)計(jì)要求：

1、輸入電源范圍：DC250V～DC850V

2、電源輸出穩(wěn)態(tài)精度指標(biāo)：

第1路：輸出電壓+15±5％V，輸出功率33W；

由此進(jìn)行二次穩(wěn)壓，輸出電壓+5±5％V，輸出功率4W；

第2路：輸出電壓-15±5％V，輸出功率2W；

第3路：輸出電壓24±10％V，輸出功率10W；

【注】：

①第1路和第2路為共地電源，第3路為獨(dú)立電源；

②當(dāng)輸入電壓小于400V時(shí)，開(kāi)關(guān)電源能正常工作，輸出功率可降為20W，當(dāng)輸入電壓在400V~800V時(shí)，要求輸出功率能達(dá)33+2+10=45W。

3、電壓紋波指標(biāo)：各路輸出紋波<2％。?

4、電源噪聲指標(biāo)：各路輸出噪聲<5%(20MHz)。

5、輸出功率指標(biāo)：輸出功率10～45W

6、絕緣耐壓及安規(guī)指標(biāo)：電源輸入對(duì)輸出耐壓3750VAC。功率模塊(1200V模塊)驅(qū)動(dòng)電路電源之間絕緣電壓2500VAC。功率模塊(600V模塊)驅(qū)動(dòng)電路供電的電源之間絕緣電壓1200VAC。

確定拓?fù)?/p>

由于電源輸出路數(shù)較多，且輸出功率不大，電路選取完全能量傳遞方式單端反激式電路結(jié)構(gòu)，如下圖：

開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)控制芯片選電流控制型PWM芯片UC2844(這類(lèi)芯片也是蠻多的，系列延伸也多，大家可以去了解一下)，輸出穩(wěn)壓控制采用TL431基準(zhǔn)源，開(kāi)關(guān)頻率設(shè)定為41kHz。

確定電源工作狀態(tài)參數(shù)

①計(jì)算變壓器原邊輸入功率

我們這里假設(shè)變壓器的傳輸效率是95%，那么其原邊的輸入功率為：

Pin=Pout/0.95=45/0.95=47.4W

②確定最大導(dǎo)通占空比

設(shè)最小輸入電壓Uin,min=400V時(shí)，Dmax=31%

③確定開(kāi)關(guān)頻率和變壓器原邊電感量

當(dāng)輸入電壓為400V時(shí)，

假設(shè)開(kāi)關(guān)頻率f=41kHz，則有

取L=4mH。

④計(jì)算變壓器原邊電流峰值

⑤最大導(dǎo)通時(shí)間

⑥確定變壓器變比并計(jì)算反激時(shí)間

由于變壓器工作在完全能量傳遞方式，其激磁和去磁的伏秒積相等，故有：

假設(shè)K=13，則：

⑦校驗(yàn)

滿(mǎn)足能量傳遞方式的要求。

變壓器繞組電流的計(jì)算及線徑、匝數(shù)的選取

①計(jì)算變壓器原邊電流有效值

②變壓器原邊繞組線徑的選取

取導(dǎo)線的電流密度為24A/mm ，則線徑：

實(shí)際選取0.5mm。

③計(jì)算副邊繞組電流峰值

副邊繞組電流與負(fù)載電流波形如下：

在電路穩(wěn)定工作時(shí)，流過(guò)副邊繞組濾波電容的平均電流為零，因此有副邊繞組電流的平均值等于負(fù)載電流，即：

第一路：

第二路：

第三路：

④計(jì)算副邊繞組電流有效值

第一路：

IS1=0.462*6.88=3.12A

第二路：

IS2=0.462*0.41=0.19A

第三路：

IS3=0.462*1.3=0.6A

⑤副邊繞組線徑的選取

按計(jì)算所需導(dǎo)線直徑時(shí)，應(yīng)考慮趨膚效應(yīng)的影響，當(dāng)直徑大于兩倍穿透深度時(shí)，應(yīng)盡可能采用多股導(dǎo)線并繞。當(dāng)f=40kHz時(shí)，圓銅導(dǎo)線的穿透深度為0.3304mm，所以這里采用多股導(dǎo)線并繞，取導(dǎo)線的電流密度為24A/mm ，則線徑：

第一路：

實(shí)選0.75*4mm

第二路：

實(shí)選0.5mm

第三路：

實(shí)選0.75mm

⑥變壓器原邊匝數(shù)計(jì)算

實(shí)選130匝。

其中：

ΔB——磁感應(yīng)強(qiáng)度(單位:T)，與磁芯材料、繞組電流大小和匝數(shù)有關(guān)

A——磁芯截面積(單位:2 mm)，這里選EC35磁芯。

此處Ton的單位用us。

⑦變壓器副邊主反饋繞組匝數(shù)計(jì)算

第一路：

⑧變壓器副邊其它繞組匝數(shù)計(jì)算

第二路：

第三路：

實(shí)取15匝。

副邊輸出濾波電容紋波電流有效值計(jì)算和電容選取

①按輸出紋波電壓的要求計(jì)算最小輸出電容

當(dāng)電路穩(wěn)定工作時(shí)，對(duì)任意負(fù)載均有：

其中：C為電容容量，Rc為電容阻抗。

各路輸出紋波電壓根據(jù)要求按1%計(jì)算，得各路電容應(yīng)滿(mǎn)足的必要條件：

第一路：

第二路：

第三路：

②副邊輸出濾波電容紋波電流有效值計(jì)算

第一路：

第二路：

第三路：

③濾波電容的選取

綜合考慮以上3個(gè)條件：容量、阻抗、紋波電流的大小，選取以下電容：

第1路：

3*1000uF/35V，其并聯(lián)后的阻抗小于0.019Ω，允許紋波電流大于5.19A；

第2路：

560uF/35V，其阻抗小于0.082Ω，允許紋波電流大于1.16A；

第3路：

1000uF/35V，其阻抗小于0.058Ω，允許紋波電流大于1.71A。

副邊整流二極管的選取

①二極管反向耐壓

第一路：

第二路：

第三路：

考濾開(kāi)關(guān)電源上電時(shí)的沖擊電壓，以上各管均選反壓200V以上的二極管。

②二極管正向電流及損耗

第一路：

第二路：

第三路：

整流二極管截止時(shí)，承受的反向電壓值

選取整流二極管要保證反向耐壓值URM＞UDP，整流二極管電流有效值應(yīng)滿(mǎn)足IF＞Po/Uo=Io。

此外，為減小輸出紋波和噪聲，變壓器副邊輸出整流二極管應(yīng)選快恢復(fù)二極管，且負(fù)載較大者應(yīng)在副邊整流二極管兩端并聯(lián)阻容吸收電路，注意吸收電容的耐壓值要高，這里取R=100Ω，瓷片電容C=470pF，耐壓1kV。

開(kāi)關(guān)電源原邊電路參數(shù)的計(jì)算

原邊電路圖如下：

①驅(qū)動(dòng)電阻Rdrv的選取

這里Vcc>15V，當(dāng)開(kāi)關(guān)管Q的G極電壓達(dá)10V時(shí)，開(kāi)關(guān)管能完全開(kāi)通。為了使開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通和關(guān)斷損耗最小，則應(yīng)使：

取Rdrv=33.3Ω，其損耗為

P=fCiVCC2=41*0.99*152/103=9.1mW

其中

Rdrv——開(kāi)關(guān)管門(mén)極驅(qū)動(dòng)電阻

Ci——開(kāi)關(guān)管Q的輸入電容

tr,tf——開(kāi)關(guān)管開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)間

②電流采樣電阻Rs的選取

由于UC2844的第3腳電平大于等于1V時(shí)，其第6腳輸出低電平，則為了使電源能輸出最大功率，選：

Rs=1/Ip=1/0.76=1.32Ω

實(shí)際選用1Ω/1W。

③電流環(huán)濾波時(shí)間常數(shù)R1C1的確定

本電路主要是為了濾除門(mén)極驅(qū)動(dòng)電流對(duì)UC2844第3腳電平的影響，一般門(mén)極驅(qū)動(dòng)電流影響UC2844的電平小于0.1V能滿(mǎn)足要求。故有：

解得

R1C1≥193.8ns

取：R1=1kΩ，C1=470pF

④吸收電路參數(shù)RCD的計(jì)算

a.電容C的選取

吸收電容的容量計(jì)算：

設(shè)原邊電感的漏感儲(chǔ)能全部由電容轉(zhuǎn)化為吸收電容的儲(chǔ)能，則：

其中：

Ls——原邊電感漏感

C——吸收電容容量

Uc——吸收電容電壓

一般要求ΔUc＜50V，Ls＜120uH，則C可選：

吸收電容耐壓的計(jì)算，電容耐壓的選?。?/p>

Vc＞13*15+50=245V

我們這里取600V。

b.吸收電阻的選取

這里我們選?。篟=51K/2W*2，其損耗為

P=(13*15)2/(102*1000)=0.373W

c.二極管D的選?。?/p>

反向耐壓要求

VR＞800+13*15+50=1045V

由于變壓器電感的電流峰值才0.76A，故選：D=1A/1400V可滿(mǎn)足要求。

⑤開(kāi)關(guān)管Q的選取

直流母線電壓短時(shí)可能達(dá)到850V， 所以MOS管截止時(shí)，集射極間承受的最大峰值電壓

UCEP=Ui+nUo=850V+210=1060V

MOS管最大電流為

Ip+IRCD=0.95+0.265=1.215A

式中，IRCD為MOS管導(dǎo)通時(shí)RCD吸收電路產(chǎn)生的電流，可由下面吸收電路計(jì)算得到。

考慮到啟動(dòng)瞬間MOS管電壓比正常工作時(shí)要高，所以選擇1500V的MOS管，其損耗為

式中，

Co.Q——MOS管輸出電容，125pF

Ron.Q——MOS管導(dǎo)通電阻，10Ω

tf——MOS關(guān)斷時(shí)的電流下降時(shí)間，60ns

⑥啟動(dòng)電阻R2、R3的選取

依UC2844資料，其最大靜態(tài)工作電流為1mA，則應(yīng)使：

選?。篟2=100K/2W*2+51K/2W*2；R3=100KΩ。

⑦啟動(dòng)電容C2的選取

a.副邊輸出電壓上升時(shí)間tro的計(jì)算：

由于在副邊電壓上升的過(guò)程中，電壓環(huán)不起作用，僅有電流環(huán)起作用，電源進(jìn)入限流工作模式，按變壓器的傳輸效率為0.95計(jì)算，有：

b.啟動(dòng)電容C2的估算：

UC2844資料表明，當(dāng)電源電壓低于10V，UC2844停止工作，其工作時(shí)最大工作電流為17mA，考濾其外圍電路的影響，取20mA。為了確保電源能一次性啟動(dòng)完成，同時(shí)留1V裕量，應(yīng)使：

(16-11)C2≥20tro

C2=4tro=36uF

暫取C2=100uF。

⑧打嗝電阻R4的估算

即

R4=133Ω

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，我們這里暫取R4=50Ω。

⑨振蕩電阻電容的選取

由于振蕩頻率為輸出開(kāi)關(guān)頻率的兩倍，根據(jù)UC2844資料，選：

RT=4.7KΩ，CT=4.7nF

實(shí)際設(shè)計(jì)中，這兩個(gè)參數(shù)還需要根據(jù)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行調(diào)整。

⑩開(kāi)關(guān)管Q的功耗計(jì)算

電壓控制環(huán)參數(shù)計(jì)算

電壓反饋電路如下：

副邊電壓變化速度不快，故可采用低速光耦，適用的光耦有：TLP521、PS2501、PC817等，這里采用PS2501，其最小電流傳輸比為80％。為了能反映反饋電壓的變化，光

耦應(yīng)工作于線性區(qū)，所以當(dāng)反饋電壓為+15V時(shí)，設(shè)計(jì)光耦副邊電流為1mA，其原邊電流IF＝1.25mA，原邊壓降UD＝1.2V，I431A≈2mA。此處TL431A作比較器用， 即由R1、R2確定的REF端電壓U8與TL431A內(nèi)部的2.5V基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，因此陰極電位由外部電路決定。當(dāng)反饋電壓為+15V時(shí)，U8＝2.5V，設(shè)定陰極電位U陰極為11V（U陰極可以設(shè)定的范圍為+5V~+12V，若設(shè)定值太大，管子功耗將大大增加）。當(dāng)反饋電壓大于+15V時(shí)，U8增大，U陰極減小，IF增大，UC2844調(diào)節(jié)副邊電壓降低。同理可分析反饋電壓小于+15V的情況。

①分壓電阻R1、R2的選取

忽略TL431的Iref（約4uA）的影響，則有：

選：R1=10KΩ，R2=2KΩ

②電阻R7的選取

根據(jù)UC2844的資料和前面計(jì)算結(jié)果，得：

得VP1=3.68V

為了不使光耦原邊工作電流過(guò)小，取R7=1KΩ，此時(shí)流過(guò)光耦副邊的電流為：

(5-3.68)/1+1=2.32mA

根據(jù)PS2501資料查得此時(shí)光耦原邊電流約1.55mA，壓降

約1V。

③電阻R4、R5的選取

為了使電源有較好的電壓調(diào)節(jié)范圍，設(shè)計(jì)時(shí)選TL431第1腳的工作電壓為10V左右。

R4(1.55+1/R5)+1=15-10=5V，取R4=R5，得R4=R5=2.6KΩ，實(shí)取R4=R5=2KΩ。此時(shí)TL431第1腳的工作電壓為11V。

④比例電阻R3和積分電容C2的選取

此電源設(shè)計(jì)時(shí)其開(kāi)關(guān)周期為24.4us，為使電源有較好的穩(wěn)定度，選取R3C2約為開(kāi)關(guān)周期的4~5倍，即

24.4*4=97.6＜R3C2＜24.4*5=122

選R3=10KΩ，C2=10nF

⑤微分電阻R6和微分電容C1的選取取

為使電源有較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度（小于1周期），同時(shí)又不致于過(guò)于靈敏，選：

R6C1=20us，取R6=2KΩ，C1=10nF。

以上的計(jì)算只是初步的，具體還需要根據(jù)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行調(diào)整！

電源輸出過(guò)壓保護(hù)電路

原理圖如下：

電路的工作電源為UC2844的電源，電路的保護(hù)輸出端為Q3的集電極。電路在上電或正常工作時(shí)，穩(wěn)壓二極管DZ1截止，Q2由于其基極下拉電阻R5而處于截止?fàn)顟B(tài)，Q1由于其基極上拉電阻R1也處于截止?fàn)顟B(tài)；同時(shí)Q1和DZ1的漏電流在R5上的壓降不致Q2導(dǎo)通，Q2的漏電流在R1的壓降不致Q1導(dǎo)通，由于Q1、Q2的正反饋?zhàn)饔茫琎3處于截止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)電源輸出過(guò)壓時(shí)，UC2844電源的電壓也隨之增大，當(dāng)大于約18.6V時(shí)，DZ1、Q2、Q3導(dǎo)通，Q3導(dǎo)通使開(kāi)關(guān)電源停止工作，Q2導(dǎo)通使Q1導(dǎo)通，同時(shí)由于Q1、Q2的正反饋?zhàn)饔?，使其處于保持?dǎo)通狀態(tài)，直至UC2844的電源電壓低于某值，流過(guò)Q1、Q2的電流小于其保持電流，電路才恢復(fù)截止?fàn)顟B(tài)。但由于UC2844的電源有300KΩ的啟動(dòng)電阻與開(kāi)關(guān)電源的輸入相連，使流過(guò)Q1、Q2的電流大于其保持電路，因此電路有可能會(huì)一直處于保護(hù)狀態(tài)，直至變頻器掉電。但若電路參數(shù)設(shè)計(jì)得當(dāng)，電路則工作于過(guò)壓打嗝保護(hù)狀態(tài)。

①器件功能

? 穩(wěn)壓二極管DZ1，過(guò)壓設(shè)定值；

? 電阻R2~R4，三極管Q1~Q3的基極限流電阻；

? 電阻R1，三極管Q1的基極上拉電阻；

? 電阻R5，三菜管Q2的基極下拉電阻；

? 三極管Q1、Q2，與周?chē)娮铇?gòu)成觸發(fā)保護(hù)電路；

? 電容C1、C2，濾波電容，提高電路的抗干擾性能。

②參數(shù)計(jì)算

a.選DZ1為18V的穩(wěn)壓管，選Q1為PMBT4403的三極管，Q2、Q3為PMBT4401的三極管；根據(jù)Q1~Q3的資料，取其電流放大倍數(shù)均為30。

b.取R2=R3=R4=R5，同時(shí)能使電路在UC2844電源電壓低于5V時(shí)自動(dòng)解除封鎖，則：

得：R2=11.1KΩ，取R2=R3=R4=R5=10KΩ。

c.為使電路能自動(dòng)解除封鎖，則R1應(yīng)滿(mǎn)足：

得R1<1.3KΩ,取R1=1KΩ。

d.由于本電路要具有一定的抗干擾性能，同時(shí)本電路對(duì)過(guò)壓保護(hù)的速度要求不高，電容C1、C2選常用的0.1uF電容。

04開(kāi)環(huán)DC/DC開(kāi)關(guān)電源

在大功率機(jī)型中，每個(gè)IGBT的驅(qū)動(dòng)需要提供一個(gè)正向開(kāi)通電源和一個(gè)反向關(guān)斷電源，6路IGBT需要6組電源，這些電源一般通過(guò)DC/DC變換得到。由于該電源的原邊電壓來(lái)自前級(jí)的AC/DC變換，電壓值一般比較穩(wěn)定（12V、15V或者24V），因此這里的DC/DC變換采用開(kāi)環(huán)控制即可。

如下圖：

通過(guò)合理設(shè)定NE555的開(kāi)關(guān)頻率和占空比和脈沖變壓器的變比，可以得到穩(wěn)定輸出的直流電壓，無(wú)需反饋。由于是低壓DC/DC變換，開(kāi)關(guān)管使用的是低壓高速mos管，NE555的開(kāi)關(guān)頻率一般可以到100k，這也提高了脈沖變壓器的轉(zhuǎn)化效率。