基于UC3825的低壓大電流開(kāi)關(guān)電源

1 開(kāi)關(guān)電源的設計

開(kāi)關(guān)電源的基本結構主要由7部分組成： 輸入整流濾波電路、高頻開(kāi)關(guān)變換器電路、整流輸出電路、控制電路、保護電路、輔助電源以及顯示電路。

1.1 主電路

該設計的主電路拓撲結構如圖1 所示， 輸入市網(wǎng)220 V 電壓， 通過(guò)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AC /DC /AC /DC 的變換過(guò)程， 最終得到所需要的15 V直流穩壓電源。

1.1.1 輸入濾波整流( AC /DC)

低電壓大電流的開(kāi)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作用， 濾除整流后的交流成分。

1.1.2 高頻開(kāi)關(guān)變換器( DC /AC)

它是開(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)管由導通轉換為截止時(shí)， 變壓器產(chǎn)生的電壓尖峰， 以保護開(kāi)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、熱穩定性好和驅動(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(kāi)關(guān)管IGBT 的柵極接收PWM 信號， 當門(mén)極加正電壓， MOSFET內形成溝道，并為PNP晶體管提供基極電流， 從而使IGBT 導通。此時(shí)從P區注入到N 區進(jìn)行電導調制， 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(mén)極上加負電壓時(shí)， MOSFET內的溝道消失。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(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(guò)大功率高頻整流二極管SBD( 即肖特基二極管) 構成的整流電路整流， 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)行控制調節， 輸出穩定的電壓。

1.2 控制電路

控制電路是開(kāi)關(guān)電源穩定工作的重要保證， 選取UC3825作為控制芯片， 它由振蕩器、PWM 比較器、PWM 鎖存器、輸出驅動(dòng)器、限流比較器、過(guò)流比較器、基準電壓源、故障鎖存器、軟啟動(dòng)電路、欠壓鎖定等組成。

UC3825最高開(kāi)關(guān)頻率可達到1MH z, 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， 應用UC3825的功能設計開(kāi)關(guān)電源的控制電路， UC3825的2個(gè)脈沖輸出端為開(kāi)關(guān)管IGBT提供PWM 驅動(dòng)信號， 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 kH z, 所以輸出PWM 脈沖的頻率為100 kH z, 輸出脈沖占空比在0% ~ 50%以?xún)日{整， 為了避免橋臂短路， 常設置死區時(shí)間， 因此實(shí)際應用中一般達不到50%。UC3825的4、6、11、14腳的波形如圖2所示， 11、14腳波形經(jīng)驅動(dòng)電路輸出耦合至IGBT 的柵極， 控制IGBT的開(kāi)通和關(guān)斷。開(kāi)關(guān)管的驅動(dòng)電路如圖3所示。

在實(shí)際應用中， IGBT的驅動(dòng)電路對IGBT的工作好壞具有相當大的影響， 因此， 驅動(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(kāi)通和關(guān)斷; 動(dòng)態(tài)驅動(dòng)能力強; 信號傳輸基本無(wú)延時(shí)， 提高工作速度; 當出現異常情況時(shí)， IGBT能實(shí)現軟關(guān)斷， 對管子進(jìn)行過(guò)壓、過(guò)流保護。使用的驅動(dòng)電路能夠提供+ 15 V 和- 15 V的正向和反向電壓， 開(kāi)通和關(guān)斷延時(shí)控制在1u s內， 且具有過(guò)壓和短路保護， 另外， 具有故障軟關(guān)斷功能。

為了得到穩定的輸出， 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， 輸入到電壓比較器， 與給定的基準電壓進(jìn)行比較， 產(chǎn)生一個(gè)差值， 通過(guò)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， 當輸出大于基準電壓時(shí)， 減小脈沖寬度占空比， 反之， 則增大占空比， 以實(shí)現能得到一個(gè)穩定的輸出。

1.3 保護電路

考慮到開(kāi)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， 設計了電壓電流保護電路以及軟啟動(dòng)保護等保護電路。軟啟動(dòng)是通過(guò)軟啟動(dòng)( SOFT、START )腳的外接電容實(shí)現的。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(kāi)關(guān)電源無(wú)輸出電壓。

當內部電流源給軟啟動(dòng)腳外接電容充電時(shí)， 誤差放大器輸出電壓逐漸升高， 直到閉環(huán)調節功能開(kāi)始工作， 開(kāi)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(guò)1. 2 V, 故障鎖存器置位， 輸出腳變?yōu)榈碗娖? 同時(shí)， 軟啟動(dòng)腳外接電容以250uA的電流放電。在軟啟動(dòng)電容放完電后， 限流腳電平降到1. 2 V以下時(shí)， 故障鎖存器就不輸出脈沖。這時(shí)， 故障鎖存器復位， 芯片開(kāi)始軟啟動(dòng)過(guò)程。

過(guò)流保護和過(guò)壓保護是在主電路中采樣輸入到保護電路中， 對電源起到保護作用。保護電路如圖5、圖6所示。

在開(kāi)關(guān)變換電路和高頻變壓器之間加上一個(gè)檢測電流的互感器， 將檢測量輸入到UC3825的9腳限流端， 當檢測到開(kāi)關(guān)電流達到上限電流時(shí)， 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S 為高電平時(shí)， 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 管子導通， FB被拉低， 從而保護電路的過(guò)流問(wèn)題。

在主電路輸出端直接實(shí)時(shí)采樣電壓， 與給定電壓比較后，把信號放大， 經(jīng)過(guò)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(guò)熱保護是通過(guò)檢驗系統中的熱繼電器通斷來(lái)具體實(shí)現的， 當開(kāi)關(guān)電源正常工作時(shí)， 熱繼電器處于常通狀態(tài)， 一旦溫度過(guò)熱， 超過(guò)額定值， 熱繼電器開(kāi)關(guān)會(huì )斷開(kāi)， 通斷的信號會(huì )反饋到控制電路中， 達到過(guò)熱保護的作用。

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)節的電源。該設計將電網(wǎng)的220 V 電壓接到工頻變壓器上， 為芯片UC3825, 缺相保護、欠壓、過(guò)壓保護等電路提供5 V、12 V、18 V 等工作電壓。

1.5 顯示電路

在開(kāi)關(guān)電源的控制面板上， 設有電流表、電壓表， 顯示輸出的電流值、電壓值， 輔助電源給電流表， 電壓表提供5 V電壓驅動(dòng)數碼管， 顯示面板上還設置了過(guò)熱、缺相、異常指示燈、恒流恒壓轉換開(kāi)關(guān)。作為外在顯示部分， 可以清楚地觀(guān)察到系統的實(shí)時(shí)工作情況， 保證開(kāi)關(guān)電源安全穩定的工作。

2 實(shí)驗測試與結果

在測試實(shí)驗中， 采用可變負載車(chē)作為調試負載， 根據需要改變電阻絲的并聯(lián)條數， 對于輸出電壓、電流的控制， 可以通過(guò)改變控制板上的可變采樣電阻， 進(jìn)而由UC3825調整PWM 信號的占空比， 達到預期的輸出值。調試完畢， 還要對機器進(jìn)行老化試驗。該樣機的測試結果表明： 電源輸出的脈動(dòng)電壓尖峰小， 輸出電流平緩穩定， 波動(dòng)幅值小， 而且具備高效節能， 體積重量小的優(yōu)點(diǎn)。

3 結束語(yǔ)

開(kāi)發(fā)了15 V /1 200 A的低電壓大電流的大功率開(kāi)關(guān)電源，采用脈寬調制芯片UC3825作為控制核心， 對整個(gè)系統進(jìn)行控制。同時(shí)， 設計的軟啟動(dòng)電路、欠壓過(guò)壓及過(guò)流保護電路， 增加開(kāi)關(guān)電源工作的可靠性和穩定性。目前系統已經(jīng)完成了實(shí)驗調試， 主電路已經(jīng)能夠安全穩定的帶載工作， 該設計為高頻開(kāi)關(guān)電壓在電鍍行業(yè)中的應用提供了理論和實(shí)踐的有力保證。