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新型單管平方型AC/DC變換器的設計
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時(shí)間：2012-01-16
來(lái)源：網(wǎng)絡(luò )
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1． 引言
AC/DC轉換裝置中，通常需要適應寬范圍的輸入電壓或是滿(mǎn)足寬范圍的輸出電壓。
傳統的PWM變換器必須工作在相當低的占空比下方能滿(mǎn)足要求，同時(shí)由于開(kāi)關(guān)管最小開(kāi)通時(shí)間的限制，使變換器只能工作在較低的工作頻率。
新型單管平方型變換器，其電壓轉化率M是占空比平方的函數，要獲得相同的電壓轉換率，較傳統變換器而言，該變換器可以工作于較大的占空比和較高的工作頻率。這樣更易于實(shí)現電路的控制和拓寬可獲得的電壓轉換率范圍，從而實(shí)現寬范圍電壓轉換。本文介紹了一種新型單管平方型AC/DC變換器的基本原理及其設計過(guò)程。
2． 新型單管平方型AC/DC變換器
新型單管平方型AC/DC變換器的原理圖如圖1所示，是一種基于脈寬調制（PWM）的變換器。該變換器主電路是由兩個(gè)基本Buck變換器串聯(lián)獲得的[1]。經(jīng)證明可知[2],要獲得M(D)與占空比D的平方存在一定關(guān)系的變換器，一定不能少于兩個(gè)電容，兩個(gè)電感和四個(gè)開(kāi)關(guān)，但是功率開(kāi)關(guān)管的個(gè)數卻可以減少到一個(gè)。本文中提出的該新型單管變換器就只含有一個(gè)開(kāi)關(guān)管，減少了開(kāi)關(guān)管的個(gè)數，從而簡(jiǎn)化了控制及其驅動(dòng)電路。
PWM集成芯片采用了UC3842，是一種電流型控制的專(zhuān)用的芯片，具有電壓調整率高、外圍元器件少、工作頻率高、啟動(dòng)電流小的特點(diǎn)。其輸出驅動(dòng)信號通過(guò)隔直電容，連接在驅動(dòng)變壓器原邊。
變換器的過(guò)流保護由電阻R9檢測到開(kāi)關(guān)管的過(guò)流信號，封鎖UC3842的輸出信號，實(shí)現過(guò)流保護。電壓負反饋控制由電阻R12和R13獲得輸出電壓信號。
變換器的工作原理簡(jiǎn)述如下：當變換器接通電源時(shí)，輸入交流電壓整流后的直流電壓經(jīng)電阻R17降壓后，給UC3842提供啟動(dòng)電壓。進(jìn)入正常工作后，二次繞組N3提供UC3842的工作電壓（12V）；繞組N2的高頻電壓經(jīng)過(guò)整流濾波，由TL431獲得偏差信號，先經(jīng)光耦隔離，然后輸入到誤差比較器的反相輸入端，與給定電壓進(jìn)行比較，然后將比較后的誤差信號反饋到UC3842，去控制開(kāi)關(guān)管的導通與截止，實(shí)現穩壓的目的。通過(guò)調節接入誤差比較器正相端的給定電壓，來(lái)獲得輸出電壓的寬范圍調節。
圖1 單管平方型AC/DC變換器的電路原理圖
3． 變換器的設計
3．1 EMI濾波器的設計
EMI濾波器能有效地抑制電網(wǎng)噪聲，提高電子儀器、計算機和測控系統地抗干擾能力及可靠性[3].EMI濾波器電路如圖1所示，包括共模扼流圈（也稱(chēng)共模電感）和濾波電容。共模電感主要用來(lái)濾除共模干擾，其電感量與EMI濾波器的額定電流有關(guān)。本文中的單管平方型變換器取共模電感值為15mH。濾波電容C11, C13主要濾除串模干擾，容量大致為0.01μF~0.47μF。C14和C15跨接在輸入端，并將電容器的中點(diǎn)接地，能有效抑制共模干擾，容量范圍是2200Pf~0.1μF。
3．2 功率器件的選取
變換器的開(kāi)關(guān)器件一般均選用功率場(chǎng)效應管（MOSFET），依據輸入最高電壓時(shí)輸出最大電流的要求來(lái)確定其電壓與電流等級，并預留有1.5~2倍的電壓和2~3倍的電流裕量。在單管變換器中，開(kāi)關(guān)器件的電壓UCEO通?？砂唇?jīng)驗公式取
UCEO=Udmax/（1-D） (1)
式中：Udmax為漏源級的最大電壓； D為占空比。
開(kāi)關(guān)器件的電流按高頻變壓器一次繞組的最大電流來(lái)確定。本文中的單管平方型變換器中選用的功率開(kāi)關(guān)管為耐壓800V,電流5.4A的IRFPE40。
變換器中前級Buck電路中的二極管D1和D2選用了超快速恢復二極管，而整流輸出端選用肖特基二極管，以減少二極管的壓降。
3．3 變換器電感的設計
在單管平方型變換器中，為了拓寬輸出端可獲得的電壓范圍，通?？刂齐娐分械膬δ茈姼蠰1和濾波電感L2工作在連續導電模式；在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內，通過(guò)電感L1和電感L2的電流波形如圖2所示。
圖2. 開(kāi)關(guān)周期內通過(guò)電感L1和電感L2的電流波形
為了使濾波電感L2工作于連續導電模式（CCM），則有：
(2)
式中，RLd為變換器的負載電阻；L2為濾波電感的電感為變換器的工作頻率；D為占空比。
為了使儲能電感L1工作在連續導電模式下，則有：
(3)
式中，L1為儲能電感的電感值。
在本文中，要求=200KHz，D=0.5，RLd=43.6Ω。故選取L1 =220μH,L2=55μH.
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