直流開(kāi)關(guān)電源并聯(lián)技術(shù)
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時(shí)間：2013-06-14
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技術(shù)方案與實(shí)用技巧
根據高頻電力操作電源的設計要求，結合實(shí)際的經(jīng)驗和實(shí)驗結果選擇合適的開(kāi)關(guān)器件，設計出穩定可靠、性能優(yōu)越的控制電路、驅動(dòng)電路、緩沖電路以及主要的磁性元器件。對最大電流自動(dòng)均流法的工作原理以及系統穩定性進(jìn)行了較為深入的研究。采用均流控制芯片UC3907設計了開(kāi)關(guān)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(shí)現多電源模塊并聯(lián)組成更大功率的電源系統。
1 系統原理的設計思想
在設計大型的開(kāi)關(guān)電源模塊時(shí)，首先需要對系統有一個(gè)整體的規劃，以便于設計整體結構及相應的輔助電源。高頻開(kāi)關(guān)直流電源系統的總體框圖。（如圖1）。
2 控制主電路設計
2.1電壓電流雙環(huán)控制
為了實(shí)現輸出電壓電流均可控，通常采用電流模式控制，常用的電流模式控制有峰值電流控制法和。針對峰值電流控制的不穩定性，容易發(fā)生次諧波振蕩，對噪聲敏感，抗噪聲性差等幾個(gè)缺點(diǎn)。我們采用平均電流控制法PWM。
平均電流模式采用雙閉環(huán)控制，其內環(huán)控制輸出濾波電感電流，外環(huán)控制輸出電壓，提高了系統響應速度。平均電流模式控制PWM的原理圖（如圖2）。
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圖2 平均電流模式控制原理圖 |
將誤差電壓信號Ue接至電流誤差信號放大器的同相端，作為輸出電感電流反饋的控制信號Uip。將帶有鋸齒紋波狀分量的輸出電感電流反饋信號Ui接至電流誤差信號放大器的反相端，跟蹤電流控制信號Uip。Ui與Uip的差值經(jīng)過(guò)電流誤差放大器放大后，得到平均電流跟蹤誤差信號UC。再由UC與三角鋸齒波信號通過(guò)比較器比較得到PWM控制信號。UC的波形與電流波形Ui反相，所以，是由UC的下斜坡（對應于開(kāi)關(guān)器件導通時(shí)期）與三角波的上斜坡比較產(chǎn)生控制信號。顯然，這就無(wú)形中增加了一定的斜坡補償。但為了穩定工作，要求電感電流的下降坡度不能大于晶振的坡度。
2.2小信號分析及電流、電壓環(huán)PI調節器的參數設計
控制方式有恒壓和恒流兩種工作方式。當D1導通時(shí)，電路工作在恒流模式，此時(shí)，電壓環(huán)不起作用，電路相當于單環(huán)控制。當D1截止時(shí)，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)的內環(huán)，電壓環(huán)PI調節器的輸出Ue作為電流環(huán)PI調節器的給定。其電路方框圖（如圖3）所示，在設計參數時(shí)，先設計電流環(huán)的調節器，獲得穩定的內環(huán)，然后得到電流環(huán)的閉環(huán)傳遞函數Tic（s），并將其作為電壓環(huán)的一個(gè)環(huán)節，（如圖4）所示，然后設計電壓環(huán)的調節器。這種控制方式的最大的優(yōu)點(diǎn)是很好地解決了電路的限流問(wèn)題，使電路具有最快的限流響應速度。而且可以通過(guò)調節電阻R3，減小D1管壓降的變化量，以提高這種控制方式的穩流精度。
H為輸出電壓采樣系數，
Ki為電感電流采樣系數；
FM為脈寬調制器的傳遞函數，FM=1/Upp，（Upp為三角波峰峰值）；
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圖3 雙環(huán)控制模式下的電路方框圖 |
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圖4 電壓外環(huán)等效方框圖 |
GV（s）為電壓環(huán)PI調節器的傳遞函數：
（1－1）Gi（s）為電流環(huán)PI調節器的傳遞函數：
（1－2） Gdi（s）為主電路的占空比對電感電流的開(kāi)環(huán)傳遞函數
（1－3） 忽略輸出濾波電感電容的等效電阻的影響
（1－4） 式中：
Udc輸入直流母線(xiàn)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：
3 控制電路設計
采用集成芯片UC3525外加運放構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。當輸出電流超過(guò)給定限流值時(shí)，D11導通，Uip被嵌在給定限流值上。
2） 內環(huán)控制。采樣電阻檢測輸出電流并通過(guò)電流檢測放大器得電流反饋信號。接到UC3525的內部誤差放大器反相輸入端的1腳，與Uip進(jìn)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(shí)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用于控制死區時(shí)間。
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圖5 單片UC3525構成有限雙極性控制原理圖 |
4 驅動(dòng)電路設計
在IGBT的使用過(guò)程中，驅動(dòng)電路選擇的合理性和設計是否正確是影響其推廣使用的問(wèn)題之一。IGBT的通態(tài)電壓、開(kāi)關(guān)時(shí)間、開(kāi)關(guān)損耗、承受短路能力以及dv/dt電流等參數均與門(mén)極驅動(dòng)條件密切相關(guān)。
IGBT的驅動(dòng)電路原理圖如圖6所示。
圖中Q1為由控制電路產(chǎn)生的驅動(dòng)信號輸入，fault為本驅動(dòng)電路在檢測到過(guò)流等故障時(shí)發(fā)出的故障檢測信號。C1、G1、E1分別接IGBT的源柵漏級。驅動(dòng)電路的供電，采用單電源加穩壓管的方式。
對于M57962AL驅動(dòng)電路，在以下兩種情況容易導致驅動(dòng)電路失去負偏壓：一是產(chǎn)生負偏壓的穩壓二極管D2被擊穿短路；二是驅動(dòng)電路在單電源供電時(shí)，因失去電源供電電壓的時(shí)候。此時(shí)若按傳統的M57962AL單電源供電的典型接法（如圖7），并沒(méi)有保護信號給出，易造成IGBT的損壞
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關(guān)鍵詞：
UC3907
開(kāi)關(guān)電源
均流控制電路
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