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直流开关电源

直流开关电源 近几年⊿来,各式各样的开关电源以其小巧的体积、较高的功率密度和高效率越来越得到广泛的应用。随着电…

直流开关电源

近几年⊿来,各式各样的开关电源以其小巧的体积、较高的功率密度和高效率越来越得到广泛的应用。随着电?力系统自动化程度的提高﹢,特别是其保护装置的微机化,通讯装置的程控化℡,对电源的体积和效率的要求不断提高。电源中磁性元件和散热器⊙件成了提高功率密度的巨?大障碍。开关∶频率的提?高可以使开关变换器(特别?是变压器、电?感等磁性元件以及电容)的体积、重量大为减小,从而提高变∑换器∧的功率密度。另﹢外,提高开关频率可以降低开关电源的音◎频噪声和改善?动态响应。但是由于?开关管㎞的通断控制与开关管上流过的电流和两端所加的电压无关,?而早期的脉宽调制(PWM)开关电源工作在硬开关模式,在?硬开关中功率开关管的开通或关断㎡是在器件上的电压或电流不等于零的状态下强迫进行的,㎏⌒电路的开关损耗-很大,开关频率越高,损耗越$大,⊕‖不但增加了热设计的难度而且大大降低了系统得可靠性,这使≯得PWM开关技术的高频化受到了许多的限制。

根据高频电力操作电≦源的设计要℃求,结合实际mol?的经验和实+验结果选择合适的开关器件,设计出稳定可靠、性能优越的控≧制电路、驱动电路、缓冲电路以及主?要的磁性元器件。对最大电流?自动均流法的工作原理以及系统稳定性进行了较为深入的?研究。采用均流控制芯片UC3907设计了开关?电源的均流控制电路?,使模块单元具有可?并联功能,可以实现多电源模块并联组成更大功率的?电源系统≒。

1£ 系统原理的设计思想

在设计大±型的?开关电源模块¬时?,首?先需要对系统有一个整体的规划,以便于设计整体结构及相应的辅助电源。?高频开关直流电源系统的总体框图。(如图1)。∽


2 控制主≤电路设计

?2.1?电压?电流双环控制

为了实现输出电?压电流均可控,通常采用电流模式控制,常用的电流模式控制有峰值电流控制法和。针对峰值电∣流控制的不稳定性,容易发生≌次谐波振荡,对噪声敏感,抗噪声性差等几个缺点。我们采用平均电流控制法?PWM。

平均电流模式·采用双闭?环控制,其内环控制输?出滤波电感电流∟m﹥,外环控制输出电压,提高了系统响应速度。平均№电¤流模式控制PWM的原理图(如图2)。

?图2 平均电流模式控制原理?图



将误差电压信号Ue接至电流误差信号放大器的同相端,作为输出?电感电流反馈?的控制信号Uip。将带有锯齿纹波状分量的输出电∷?感电℉流反馈信号U≈i?接至电流误差信号放∈大器的反相端,跟踪电流控制信号Uip。Ui与Uip的㎎差值经过电流误差放大器放大后,得到平均电流跟踪误差信号UC。再由UC与三角锯齿波信号通过比较℅器㎝比较得到PWM控?制信×号。UC的波形与电流波形Ui反相,所以,是由UC的下斜坡(对应于开关器件导通时?期)与三角波的上斜坡比较产生控制?信¢号。显然,这就无*形中增加了一定的∵斜坡?补偿。但为了稳定工作,要求电感电流的下降坡度不能大于晶振的坡度。

2.2小信号分析及电流、电压环PI调节器的参数设×计

控制方式有?恒压和恒流两种工作方式。当D1导通时∴,电﹤路工作﹣在恒流模式,此时,电压环不起作用,电路?相当于单环控制。当D1截止时,电路??工作在恒压模式下,?电路采¥用串级双环控制,?电流环作为电压环的内环,电o压环PI调节器的输出Ue作为电流环P∨I调节器的给定。其电路″方框图(如图3)所示,在设计参数时,先设计电∞流环的调节器,获得稳定的内环,然后得到电流环的闭环传递?函≡数T?ic(s?),并将其作为电压?环的一个环节,(如图4)所示/,然后设计电压环的调?节器。这种控制方式的最大1的优点是很好 ?地解决了电路的限流问题,使?电路具※有最快的限流响应速度。而且可以通过调节?电√阻R3,减小D1管压降的变化量,以提高这种控¥制方式的稳流精?度。

∫H为输出电压采样系数?,

Ki为电感∮电流采样系数;

FM为脉宽调制器的传递函数,FM=1/Upp,(Upp为三角波峰峰值);

图3 双环控制模式下=的电路方框图

图4 电压外环等效方框图



GV(s)为电压环PI调节器的传递函数:

(〒1-1)

G?i(s)为电流环PI调节器的传?递函数:

(1-2)

G=di(s)为主电路的占空比对电感m电流的开环传递函@数

(1-3)

忽略输出滤波电感电容的等效电阻的影响∝

(1-4?)㏒

式中:

Udc输入直流母?线电压;
?
n为副边与原边的匝比∪

L为输出滤波电感值;

RL为滤波电感的电阻;直流开关电源

C为输出滤波电容;

RC为滤波电%容的串联等?效电阻;
?
R为负载电阻。

Z(?s)为负?载♀和输出电容支路的并联阻抗:


3 控制电路?设计
?
采用集成芯片UC3525外加运放构成平均电流模式控制电路并用?单片UC35?25外加逻辑电路的方式*形成ml有限双极性控制的4路控制信号(如图?5)?。

1) 外环>控制。电压给定信号与输出电压?反馈信号经运放U1补μ偿比?较得Ue,㏑接到UC3525的内部误差放大器正相输入端?2?脚作为反馈电流的控制信号Uip。当输出?电流超?过给定?限流值时,D11导通,?Uip被嵌在给定限流值上。

2) ?内环控制。采样电阻检测输出2电流并通过电流检测放大器得≮电流反馈信号。接到UC35§25的内部误差放大器?反相输入端‰的1脚,与Uip进行比较。UC3525的9脚为反馈?补偿端。

33) 有限双极3性控制。UC35≥25的4脚为同步信号输出,该信号作为D触发器U3的时钟信?号,U3的Q端(1脚)㈱和端(2脚°)﹣既可得到占空比为50%相位相差180的两组脉冲㏄,Q1?1、Q12用于控制死区时??间。
?

图5 单片U∷C3525构成有限双′极性控制原理图


4 驱动电路设计 ?

在IGBT的使用∩过?程中,驱动电路选择的合理性和设计是否正?确是影响?其推广使?用的问题之?一。IGBT?的通态电压、开关时间、开关损?耗、承受短路<能力以及dv/dt电流等参数均与门极驱动条件密切相??关。

IGBT?的驱动电?路原理图如图6?所示。

图中Q1㏕为由控制电路产??生?的驱动信≠号输入?,f⊥ault为本驱∥动电路%在检测到过流等故障时发出的故障检测信号。C1、G1、E1♂分?∏别接IGBT的源栅漏级。驱动电路的供电,采用?单电源加稳压管的方式。

对于M57962AL驱动电路,在以下两种情况容易导致驱动电路失去负偏压:一是产生负偏压的?稳压二极管D?2被击穿短路;二是驱动电路在单电源供电时,因失去电源供电电压的时÷候。此时若按传统㎜的M57?962AL单电源供电的典型接£法(如图7)∠,并没有保护信号给出,易?造成IGBT的损坏


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