大功率開關(guān)電源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、大功率開關(guān)電源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)瞿世尊,王可亮,陳健(西安電子科技大學(xué)通信工程學(xué)院,陜西省西安市710071【摘要】介紹了開關(guān)電源設(shè)計(jì)中需要考慮的幾個(gè)基本問題,包括頻率的確定、最大占孔比D m 的確定、逆變變壓器的設(shè)計(jì)和開關(guān)功率管的選擇,并以一種1kW 的PW M 大功率半橋式開關(guān)電源為例,詳細(xì)介紹實(shí)際的開關(guān)電源設(shè)計(jì)方案,并給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。關(guān)鍵詞:大功率開關(guān)電源,逆變變壓器,功率半導(dǎo)體,逆變電路中圖分類號(hào):T N86收稿日期:2003207229;修回日期:20042012100引言現(xiàn)代電子、通信技術(shù)的發(fā)展對(duì)電源的要求越來越高。開關(guān)電源以其體積小、重量輕、變換效率高等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于家電、計(jì)算機(jī)、通

2、信、控制等設(shè)備中。開關(guān)電源是一種采用功率半導(dǎo)體器件作為開關(guān)元件,通過控制開關(guān)元件的開關(guān)占空比來調(diào)整輸出電壓的器件。它以小型、輕量和高效的特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于幾乎所有的電子設(shè)備中。開關(guān)電源在新興的電子設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用,已逐漸取代了連續(xù)控制式的線性電源。1設(shè)計(jì)中考慮的基本問題1.1頻率的確定開關(guān)頻率對(duì)電源的體積以及特性影響很大,必須綜合考慮。開關(guān)電源理論上是低耗的,但是功率半導(dǎo)體存在開關(guān)損耗,而且這種損耗與開關(guān)頻率成正比。頻率升高時(shí),電路中的體積減小,過渡響應(yīng)速度快。升高頻率是開關(guān)電源發(fā)展的總趨勢(shì)。但是,頻率升高,開關(guān)電源的損耗和噪聲增大,這就對(duì)散熱結(jié)構(gòu)、開關(guān)器件性能和變壓器的設(shè)計(jì)有很高要求。而且,

3、電磁干擾的高頻分量增多,也增大了對(duì)周圍的電子設(shè)備的影響。1.2最大占空比D max 的確定最大占空比D max 定義為:D max =T ON maxT式中:T ON max 為最大導(dǎo)通時(shí)間;T 為周期。D max 是設(shè)計(jì)電路時(shí)的重要參數(shù),選為0.400.45較為適宜。它對(duì)主開關(guān)元件和輸出二極管的耐壓、輸出保持時(shí)間、輸出變壓器和輸出濾波器的體積及變換效率等都有很大的影響。D max 選得窄,高頻諧波分量增多(開關(guān)控制信號(hào)基頻不變,如果頻率特性不太好,功率開關(guān)管關(guān)閉到開通的過渡時(shí)間延長(zhǎng),使得開關(guān)損耗增大,電源效率降低。1.3逆變變壓器的設(shè)計(jì)逆變變壓器是隔離式逆變器的重要組成部分,它對(duì)逆變器的效率

4、和工作可靠性以及輸出電器性能起著非常重要的作用。逆變變壓器的設(shè)計(jì)步驟如下:a 通過比較、分析和估算,選擇合適的鐵心材料、匝數(shù)比和形狀。根據(jù)磁路的基本定律,逆變變壓器的線圈最小電壓V min 、匝數(shù)N 、鐵心工作磁通密度T 、線圈電感L 之間的關(guān)系為:V min =Nd d t =NS d Bd t ×106=NSB m t ONmax×10-4(1L =0e N 2Sl×103(2式中:為磁通量,=BS ;B 為鐵心的工作磁通密度(T ;S 為磁芯的有效截面積(mm 2;B m 為最大工作磁通密度(高斯,與選擇的磁性材料有關(guān);0為真空磁導(dǎo)率;e 為磁芯材料的相對(duì)磁

5、導(dǎo)率;l 為平均磁路長(zhǎng)度。根據(jù)上面的估算,可查表得到磁性材料。b 確定變壓器的匝數(shù)比。逆變變壓器的輸入電壓和輸出電壓是隨負(fù)載變化的,必須保證在最低輸入電壓時(shí)能輸出所要求的最高電壓V Omax ,這時(shí),逆變器工作在最大占空比D max 。最低輸入電壓V Imin 決定了最低變壓器初級(jí)電壓V 1min ,這時(shí)變壓器次級(jí)電壓V 2min 也是最低。這幾個(gè)量的關(guān)系為:n =N 1N 2=V 1minV 2min (3V 2min =V Omax +V F +V X2D max(4式中:V F 為輸出整流管的壓降;V X 為輸出繞組內(nèi)阻上的壓降。83第30卷第4期2004年4月電子工程師E LECTRO

6、NIC E NGI NEER V ol.30N o.4Apr.2004c確定鐵心窗口利用系數(shù)。要考慮輸出電路的形式和可操作的繞制工藝,這些與逆變器的負(fù)載、輸入輸出電壓等級(jí)、輸出容量、可靠性指標(biāo)等有很大關(guān)系。確定了變壓器工作方式和電壓波形,可以推算出變壓器磁芯面積乘積A e A c。其中:A e為磁芯橫截面積(m2;A c為磁芯窗口面積(m2。下面以雙端口、有死區(qū)的逆變器為例給出A e A c 的計(jì)算公式:A e A c=P O(1+K jf Ke K c B m(5式中:為效率,=輸出功率P O/變壓器輸入功率P I;K為波形系數(shù),方波為4.0,正弦波為4.4;K e為磁芯截面有效系數(shù),可以查

7、表得到;K c為窗口利用系數(shù); f為工作頻率;j為導(dǎo)線的平均電流密度(A/m2。求出A e A c后,通過查表,就可以確定磁芯的型號(hào)和規(guī)格。應(yīng)注意,A e A c相近的磁芯其A c和A e可能相差較大,選擇時(shí)既要考慮匝數(shù)與繞制工藝,又要考慮變壓器的安裝形式。d確定合適的最大工作磁通密度。根據(jù)鐵心的材料、工作環(huán)境和散熱技術(shù)等諸多因素,使鐵心具有合理的利用率和損耗。e確定銅線的電流密度。根據(jù)工作頻率,考慮導(dǎo)線形狀和集膚效應(yīng),以合理設(shè)計(jì)導(dǎo)體的截面積和銅耗。當(dāng)交流電流過導(dǎo)體時(shí)會(huì)產(chǎn)生集膚效應(yīng),表現(xiàn)為導(dǎo)體中的電流密度向中心越來越小,并成指數(shù)規(guī)律下降。集膚效應(yīng)與交流電的頻率、溫度有如下關(guān)系:=f(6式中:為

8、穿透深度;為導(dǎo)體材料的電阻率(m,與溫度有關(guān);為導(dǎo)體磁導(dǎo)率;f為頻率。集膚效應(yīng)對(duì)導(dǎo)體的影響是使導(dǎo)體發(fā)熱,嚴(yán)重時(shí)會(huì)損壞器件。因此,圓導(dǎo)體的直徑和扁導(dǎo)體的厚度要略小于導(dǎo)體的穿透深度,這樣選擇的導(dǎo)體在高溫時(shí)也能滿足發(fā)熱的要求。經(jīng)過上面的估算結(jié)果,得到了逆變變壓器的匝數(shù)、匝數(shù)比、磁性材料的特性、磁芯的窗口以及導(dǎo)線的線徑。有了這些數(shù)據(jù)就可以繞制逆變變壓器了。但是,計(jì)算結(jié)果并不能精確符合實(shí)際結(jié)果,還要反復(fù)實(shí)驗(yàn)才能得到滿意的結(jié)果。1.4開關(guān)功率管的選擇目前流行的功率開關(guān)器件有功率晶體管(G TR、功率MOSFET管和絕緣柵雙極型晶體管(IG BT。G TR是一種雙極型大功率晶體管,應(yīng)用在幾kVA 的逆變器中

9、。G TR是電流驅(qū)動(dòng)方式,驅(qū)動(dòng)電流隨輸出功率的增大而成比例增大。因此,驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)較為復(fù)雜,驅(qū)動(dòng)條件選擇困難,直接影響開關(guān)功率。G TR雖然已經(jīng)被廣泛使用,但是由于其驅(qū)動(dòng)功耗大、開關(guān)速度慢及二次擊穿方面的不足,將逐步被IG BT和其他新型開關(guān)器件取代。在幾十kW以下的逆變電源中,主開關(guān)器件以功率MOSFET為主。逆變頻率為幾十kH z到幾百kH z。功率MOSFET是電壓驅(qū)動(dòng)方式,它的負(fù)載電流與安全工作區(qū)域無關(guān),驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單。G TR是電流驅(qū)動(dòng)方式,功率越大,要求的驅(qū)動(dòng)電流越大,所以僅從驅(qū)動(dòng)電路上考慮,G TR器件不適合做大功率開關(guān)電源的功率管。使用MOSFET的電源具有容量密度高、噪

10、聲小、工作速度高、無二次擊穿問題、安全工作區(qū)寬等優(yōu)點(diǎn)。高頻工作的MOSFET管已成為開關(guān)電源中重要的有源器件。IG BT將MOSFET與G TR的優(yōu)點(diǎn)集于一身,既有MOSFET輸入阻抗高、速度快、熱穩(wěn)定性能好和驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn),又有G TR通態(tài)電壓低、耐壓高和承受電流大的優(yōu)點(diǎn),是取代G TR的理想器件。2開關(guān)電源設(shè)計(jì)實(shí)例下面以一個(gè)輸出功率達(dá)到1kW的脈寬調(diào)制(PW M型大功率半橋式開關(guān)電源為例,介紹開關(guān)電源的設(shè)計(jì)方案與調(diào)試的過程。該開關(guān)電源包括整流電路、控制驅(qū)動(dòng)電路、開關(guān)電路、變壓器電路及整流輸出電路 ?；究驁D如圖1所示。圖1半橋式開關(guān)電源電路圖1中,220V市電經(jīng)整流濾波以后,得到直流電

11、壓V i施加在功率管上。功率管的柵極信號(hào)是經(jīng)過控制、放大和加速3部分電路產(chǎn)生的。控制電路采用SG3525芯片,產(chǎn)生兩路相位差為180°的正交信號(hào)。該芯片具有優(yōu)良的性能,驅(qū)動(dòng)電流最高可達(dá)到1A。它的脈寬調(diào)制比較器將反饋電壓與基準(zhǔn)5V信號(hào)進(jìn)行比較,調(diào)整兩路信號(hào)的脈沖寬度,使輸出電壓趨于恒定。圖2是控制及加速電路。SG3525內(nèi)設(shè)振蕩電路,產(chǎn)生的開關(guān)頻率最高可達(dá)200kH z,頻率由電阻器RT、R8和電容器CT的參數(shù)R T、R8、C T所決定,即f=1C T(0.7R T+3R8(793第30卷第4期瞿世尊,等:大功率開關(guān)電源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)基本電子電路 圖2驅(qū)動(dòng)及加速電路SG 3525的限流

12、電路把從開關(guān)電源上耦合并整流得到的直流電壓反饋到管腳10,起過流保護(hù)和短路保護(hù)作用。該芯片還有軟啟動(dòng)作用。 放大電路采用普通橋式平衡電路,產(chǎn)生峰2峰值為30V 的信號(hào)。經(jīng)耦合變壓器產(chǎn)生兩路峰2峰值為15V 正交信號(hào)A 2、B 2,再經(jīng)過加速電路提供驅(qū)動(dòng)電壓給功率管的柵極。加速電路的功能是:在開通瞬間,減少由關(guān)斷到開通的過渡時(shí)間;而在關(guān)斷瞬間,使功率管瞬時(shí)關(guān)斷,以減少關(guān)斷的過渡時(shí)間,進(jìn)而減小開關(guān)損耗。圖3是逆變器一路柵極驅(qū)動(dòng)電路測(cè)量得到的輸出信號(hào)波形?？梢钥闯?占空比約為40%,這個(gè)值比較合適。上升沿有一個(gè)約3V 的突起,它有利于開關(guān)電路在斷開到導(dǎo)通的過程中瞬間導(dǎo)通,以減小開關(guān)損耗。這個(gè)突起電壓

13、值不宜過大,否則會(huì)擊穿開關(guān)管。圖3一通道柵極驅(qū)動(dòng)電路信號(hào)波形功率管采用功率MOSFET 器件2SK 1020(反向耐壓300V ,常溫時(shí)最大電流30A ,它是電壓驅(qū)動(dòng)器件。工作時(shí),如圖1所示,在高頻開關(guān)管的截止期(C3和C4的容量相等,電路對(duì)稱,電容中A 點(diǎn)的電壓為輸入電壓V i 的一半即E /2,當(dāng)VDV1開通時(shí),C3通過VDV1和主變壓器的初級(jí)放電;同時(shí),C4通過輸入電源、VDV1和初級(jí)充電,A 點(diǎn)電位在C3、C4的充放電過程中將按指數(shù)規(guī)律下降,A 點(diǎn)電位降到E /2-E (E 為變化量。接著,又是二極管截止時(shí)間,A 點(diǎn)電位恢復(fù)為接近E /2;VDV2導(dǎo)通時(shí),C3充電,C4放電 ,A 點(diǎn)電

14、位為E/2+E 。如此周期往復(fù),C3、C4起到儲(chǔ)能的作用。開關(guān)管在由導(dǎo)通變?yōu)榻刂沟倪^程中,漏感引起的尖峰電壓被二極管鉗位;一個(gè)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí),另一個(gè)開關(guān)管上施加的電壓大致與輸入電壓一樣,因此,開關(guān)管上承受的最大電壓不超過電源輸入電壓。由此可見,半橋逆變式電路變壓器初級(jí)施加的電壓只是電源電壓的一半,所以要使它與推挽電路輸出同樣大小的功率,開關(guān)管的電流將是推挽電路的2倍。所以,半橋電路不適合做輸出功率較大的逆變電路。但是,半橋電路有一大優(yōu)點(diǎn),就是抗電路不平衡能力強(qiáng)。如何減小主變壓器的漏感是繞制變壓器過程中要考慮的重要問題。減小漏感有利于減小變壓器發(fā)熱,提高變壓器轉(zhuǎn)換效率,減小電路中電壓尖峰毛刺以及提

15、高開關(guān)管可靠性。在繞制變壓器時(shí),要注意盡量采用薄的絕緣材料,以減小繞組的厚度和初、次級(jí)的間隔;并采用窗口較高的鐵心。另外,大部分逆變變壓器是降壓型輸出,初級(jí)匝數(shù)比次級(jí)匝數(shù)多,因此,將初級(jí)繞組分為兩部分,次級(jí)繞組夾在中間,然后把兩部分初級(jí)繞組級(jí)聯(lián)在一起,這樣也可以減小內(nèi)層初級(jí)繞組的厚度,改善繞組的耦合。對(duì)于電流較大的繞組,采用與窗口等高的寬薄銅帶,能減輕集膚效應(yīng)的影響,也使初、次級(jí)繞組間隔減小,從而降低漏感。逆變變壓器的次級(jí)電路測(cè)量得到的輸出電壓(波形如圖4所示加在整流電路的輸入端,經(jīng)過整流半導(dǎo)體和平滑電容后得到直流輸出電壓。圖4一路逆變變壓器的次級(jí)電路輸出電壓波形經(jīng)測(cè)試,得到該開關(guān)電源的技術(shù)參

16、數(shù)為:輸入電壓交流220V ±5%;輸出電壓-15V 、+15V (兩路輸出;輸出電流直流-30A ,瞬時(shí)60A (60s ;輸出穩(wěn)定度2%;整機(jī)效率84%。基本滿足實(shí)際應(yīng)用要求。3結(jié)束語本文以一個(gè)大功率半橋式開關(guān)電源為例,結(jié)合實(shí)驗(yàn)介紹了開關(guān)電源的一些基本理論知識(shí)、設(shè)計(jì)方案,并給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。大功率開關(guān)電源的制作涉及大電流和強(qiáng)電壓,應(yīng)該細(xì)致和耐心地進(jìn)行。參考文獻(xiàn)京:電子工業(yè)出版社,1999社,2000(下轉(zhuǎn)第43頁04基本電子電路電子工程師2004年4月屏蔽盒,屏蔽盒材料由外到內(nèi)分別是銅和鐵。如果條件允許,可以用磁導(dǎo)率更高的坡莫合金代替鐵,這樣能獲得更好的低頻電磁屏蔽效果。4測(cè)試結(jié)果

17、采用傳統(tǒng)的正弦波法對(duì)低頻低噪聲放大器進(jìn)行噪聲指標(biāo)測(cè)量。測(cè)試方案如圖3所示,主要衡量屏蔽盒對(duì)測(cè)量可靠性和穩(wěn)定性的影響 。圖3低頻低噪聲放大器測(cè)試方案測(cè)試條件為:測(cè)試頻率75H z ,放大器增益2200倍。測(cè)試1:打開屏蔽盒蓋測(cè)試,電壓表指針擺動(dòng)劇烈,根本無法準(zhǔn)確讀數(shù)。由此可見,外界電磁干擾非常嚴(yán)重,對(duì)低頻低噪聲放大器影響極大。測(cè)試2:合上屏蔽盒蓋測(cè)試,電壓表指針指示穩(wěn)定,基本不動(dòng),重復(fù)測(cè)試若干次,數(shù)據(jù)一致性很好。測(cè)試結(jié)果為:N F o =0.06mV ;換算到輸入端,噪聲系數(shù)N Fi 為:N Fi =0.062200170=2(nV/Hz 5結(jié)束語本文在詳細(xì)分析屏蔽的基本原理基礎(chǔ)上,提出了對(duì)低頻

18、低噪聲放大器屏蔽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一種合理、科學(xué)的方法,并通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明,該方法抗干擾能力強(qiáng),可保證低頻低噪聲放大器工作的可靠有效和測(cè)量的準(zhǔn)確真實(shí)。參考文獻(xiàn)1993社,1996能出版社,1997The Shielding Design of Low N oise and Low Frequency AmplifierYin Yalan 1,Wu Bin 2(1.Nanjing Branch of Naval University of Engineering ,Nanjing 211800,China ;2.Naval University of Engineering ,Wuhan 430000,

19、China 【Abstract 】In this article we introduce briefly noise and interference and analyse the basic principles of shield in detail.Furtherm ore ,we suggest a shielding design method ,which has proved effective by testing.This w ould ensure reliability in use and precision in measurement of low frequency and low noise am plifier.K eyw ords :low frequency am pli