基于SG3525的大功率開(kāi)關(guān)電源的研制

1　引言

隨著電子技術(shù)的高速發(fā)展， 電子設(shè)備的種類與日俱增。任何電子設(shè)備都離不開(kāi)可靠的供電電源， 對(duì)電源供電質(zhì)量的要求也越來(lái)越高， 而開(kāi)關(guān)電源在效率、重量、體積等方面相對(duì)于傳統(tǒng)的晶體管線性電源具有顯著優(yōu)勢(shì)。正是由于開(kāi)關(guān)電源的這些特點(diǎn)， 它在新興的電子設(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。

圖1　功率主電路原理圖

2　功率主電路

本電源模塊采用半橋式功率逆變電路。如圖1 所示， 三相交流電經(jīng)EM I 濾波器濾波， 大大減少了交流電源輸入的電磁干擾， 同時(shí)防止開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生的諧波串?dāng)_到輸入電源端。再經(jīng)過(guò)橋式整流電路、濾波電路變成直流電壓加在P、N 兩點(diǎn)間。P、N 之間接入一個(gè)小容量、高耐壓的無(wú)感電容， 起到高頻濾波的作用。半橋式功率變換電路與全橋式功率變換電路類似， 只是其中兩個(gè)功率開(kāi)關(guān)器件改由兩個(gè)容量相等的電容C1 和C2代替。在實(shí)際應(yīng)用中為了提高電容的容量以及耐壓程度， C1 和C2 往往采用由多個(gè)等值電容并聯(lián)組成的電容組。C1、C2 的容量選值應(yīng)盡可能大， 以減小輸出電壓的紋波系數(shù)和低頻振蕩。由于對(duì)體積和重量的限制， C1和C2 的值不可能無(wú)限大， 為使輸出電壓的紋波達(dá)到規(guī)定的要求， 該電容值有一個(gè)計(jì)算公式 , 即：

式中， IL 為輸出負(fù)載電流， V L 為輸出負(fù)載電壓，V M 為輸入交流電壓幅值， f 為輸入交流電頻率， VU為輸出的紋波電壓值。

這是一個(gè)理論上的計(jì)算公式， 得到的滿足要求的電容計(jì)算值比較大， 實(shí)際取的電容應(yīng)盡量大一些， 由于輸出端電壓較小， 也可以在二次整流濾波時(shí)加大電容，這樣折算到該公式的電容值也不小。C1 和C2 在這里實(shí)現(xiàn)了靜態(tài)時(shí)分壓， 使V A= V in/2。

當(dāng)VT1導(dǎo)通、VT2截止時(shí)， 輸入電流方向?yàn)閳D中虛線方向， 向C2 充電， 同時(shí)C1通過(guò)V T1 放電; 當(dāng)V T 2 導(dǎo)通、V T 1 截止時(shí)， 輸入電流方向?yàn)閳D中實(shí)線方向， 向C1 充電， 同時(shí)C2 通過(guò)V T 2 放電。

當(dāng)V T1 導(dǎo)通、V T 2 截止時(shí)，V T 2 兩端承受的電壓為輸入直流電壓V in。IGBT 的集- 射極間并接RC 吸收網(wǎng)絡(luò)， 降低開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)應(yīng)力， 減小IGBT 關(guān)斷產(chǎn)生的尖峰電壓; 并聯(lián)二極管實(shí)現(xiàn)續(xù)流的作用。二次整流采用單相橋式整流電路， 通過(guò)后續(xù)的LC 濾波電路， 消除高頻紋波， 減小輸出直流電壓的低頻振蕩。LC 濾波電路中的電容由多個(gè)高耐壓、大容量的電容并聯(lián)組成， 以提高電源的可靠性， 使輸出直流電壓更加平穩(wěn)。

3　PWM 集成芯片SG3525 的功能特點(diǎn)

SG3525 是一款功能齊全、通用性強(qiáng)的單片集成PWM 芯片。它采用恒頻脈寬調(diào)制控制方案， 適合于各種開(kāi)關(guān)電源、斬波器的控制。其主要功能包括基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路、振蕩器、誤差放大器、PWM 比較器、欠壓鎖定電路、軟啟動(dòng)控制電路、推拉輸出形式。SG3525 的基本外圍電路接線圖如圖2 所示。該芯片與其它同類型的芯片相比具有許多突出的特點(diǎn)。

圖2　SG3525 的基本外圍接線圖

(1) 頻率可調(diào)， 一般通過(guò)改變CT 和R T (見(jiàn)圖2) 的值來(lái)調(diào)節(jié)PWM 波的輸出頻率， 其頻率的計(jì)算公式為：

(2) 死區(qū)時(shí)間可調(diào)， 通過(guò)調(diào)節(jié)R D 即可改變死區(qū)時(shí)間的大小， 防止逆變橋的上下橋臂直通。

(3) 具有PWM 脈沖信號(hào)封鎖功能， 當(dāng)10 腳電壓高于2. 5V 時(shí)， 可及時(shí)封鎖脈沖輸出， 防止出現(xiàn)過(guò)壓、過(guò)流、過(guò)熱故障時(shí)對(duì)電路產(chǎn)生危害。

(4) 芯片內(nèi)振蕩器工作頻率為100Hz～ 400kHz。設(shè)有引腳3 為同步端， 為多個(gè)SG3525 聯(lián)用提供方便。

(5) 具有軟啟動(dòng)電路， 比較器的反相輸入端即軟啟動(dòng)控制端芯片的引腳8, 可外接軟啟動(dòng)電容C。該電容器內(nèi)部的基準(zhǔn)電壓V ref由恒流源供電， 達(dá)到2. 5V 的時(shí)間t= (2.5V /50uA )C, 占空比由小到大(50% ) 變化。

(6) 內(nèi)置PWM (脈寬調(diào)制) 鎖存器將比較器送來(lái)的置位信號(hào)鎖存， 并將誤差放大器上的噪聲、振鈴及系統(tǒng)所有的跳動(dòng)和振蕩信號(hào)消除。只有在下一個(gè)時(shí)鐘周期才能重新置位， 系統(tǒng)的可靠性高。

4　SG3525 的應(yīng)用電路及工作原理

利用SG3525 建立的大功率直流開(kāi)關(guān)電源控制電路如圖3 所示， 下面主要介紹調(diào)壓和限流模塊。

圖3　SG3525 外圍控制電路[!--empirenews.page--]

如圖3, 電壓反饋電路通過(guò)光電耦合器實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)電輸出部分與弱電控制部分的隔離。光電耦合器采用的是Hp 4504, 當(dāng)輸入端電流在0～ 4mA 之間的時(shí)候， 輸入與輸出之間的電流傳遞比呈線性關(guān)系， 設(shè)計(jì)的時(shí)候選擇合適的限流電阻， 控制輸入端電流在0～ 3mA 之間變化。當(dāng)輸出電壓U out升高時(shí)， 光電耦合器的輸出端發(fā)射極電流I e 呈線性增大， 使發(fā)射極電壓V e 增大， 通過(guò)C2、C3、R 4、R 5 的濾波穩(wěn)壓后輸入到引腳1 的V 1 也隨之增大。當(dāng)V 1 增大時(shí)， 經(jīng)誤差放大9 腳電壓下降， 比較器輸出的脈沖寬度變寬， 11 和14 腳輸出的PWM 脈沖寬度反而變窄， 從而使輸出電壓U out降低; 反之， 當(dāng)U out下降使1 腳電壓減小， 9 腳電壓升高， 11 和14 腳輸出的PWM 脈沖寬度變寬?？傊?1 腳電壓V 1 的增大與減小反映了輸出電壓U out的上升與下降， 最終都表現(xiàn)在11、14 腳輸出PWM 脈沖的寬窄變化上， 以實(shí)現(xiàn)電路的自動(dòng)穩(wěn)壓調(diào)節(jié)。

利用光耦電流傳輸比的線性段， 可以做到輸入輸出的線性變化， 用在反饋電路當(dāng)中， 不僅降低了成本，而且使輸入與輸出隔離， 同時(shí)在穩(wěn)壓效果上也能與電壓傳感器相媲美， 在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中， 不失為一種可取的方法。

通過(guò)輸出端電流傳感器得到的電流采樣信號(hào)V i與給定的限流基準(zhǔn)電壓U refi作比較， 外接負(fù)載變化使輸出電流U out變化時(shí)，V i 也會(huì)相應(yīng)的改變。當(dāng)Iout增大使V i 大于V refi時(shí)， 運(yùn)算放大器L 1A 的輸出端V b 為低電平。此時(shí)，L 2A 的輸出端V 2 將被直接拉低為低電平， 2腳相當(dāng)于接地， 輸出端11 和14 腳無(wú)脈沖輸出， 開(kāi)關(guān)電源出現(xiàn)“打嗝”現(xiàn)象， 起到了限流作用。與此同時(shí)， 輸出電流Iout減小使得V 2 再次被拉高， 11 和14 腳恢復(fù)脈沖輸出， 開(kāi)關(guān)電源正常工作， 以此達(dá)到輸出電流的動(dòng)態(tài)平衡過(guò)程。

圖4　賽米控SKYPER32PRO 驅(qū)動(dòng)模塊

5　IGBT 的驅(qū)動(dòng)電路

IGBT 的觸發(fā)和關(guān)斷要求給其柵極和發(fā)射極之間加上正向和反向電壓， 并且需要一定的動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)功率，才能保證IGBT 的及時(shí)觸發(fā)和關(guān)斷。

本電源的IGBT 驅(qū)動(dòng)采用賽米控(Sem ik ron )SKYPER32PRO 驅(qū)動(dòng)模塊。該控制核是一個(gè)半橋式驅(qū)動(dòng)模塊， 集驅(qū)動(dòng)、內(nèi)部隔離、電氣保護(hù)于一體。與同類型的產(chǎn)品相比， SKYPER32PRO 具有許多特點(diǎn)。

(1) 采用具有雙向傳輸功能的脈沖變壓器， 通過(guò)這種方法在原邊與副邊之間傳輸驅(qū)動(dòng)信號(hào)和狀態(tài)信號(hào)，并將能量傳遞到副邊。

(2) 該組件設(shè)計(jì)為即插即用， 使用方便， 并且已經(jīng)進(jìn)行了全面的電測(cè)試和溫度測(cè)試。

(3) 采用單電源供電模式， 同時(shí)對(duì)驅(qū)動(dòng)橋臂的雙邊供電。

(4) 具有短脈沖抑制功能， 能自動(dòng)修復(fù)由SG3525送出的雙路PWM 波， 使波形更加平穩(wěn)。

(5) 具有VCE 監(jiān)測(cè)、欠壓監(jiān)測(cè)、欠壓復(fù)位和死區(qū)互鎖功能等。

6　樣機(jī)研制

主要技術(shù)指標(biāo)：

輸入電壓： 三相AC380V ±5%

輸出電壓：DC220V ±2%

輸出電流： 50A

額定功率： 11kW

所得試驗(yàn)樣機(jī)額定負(fù)載時(shí)的輸出波形如圖5 (a) 所示。由圖5 (a) 實(shí)際讀數(shù)可知， 輸出電壓從0V 上升到220V 的響應(yīng)時(shí)間為1s 左右， 電源系統(tǒng)具有較快的響應(yīng)速度。同時(shí)， 由圖5 (b) 中的電壓波形局部放大圖可見(jiàn)， 輸出電壓為220V 時(shí)， 電壓波動(dòng)在2V 左右， 其最大電壓波動(dòng)小于1%。

圖5

7　結(jié)論

利用SG3525 和SKYPER32PRO 的強(qiáng)大功能設(shè)計(jì)了一臺(tái)11kW、220V 的直流開(kāi)關(guān)電源。本電源設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單， 調(diào)試方便， 所需元器件較少， 體積小， 成本低。負(fù)載在全范圍內(nèi)變化時(shí)， 本電源均能夠保持良好的輸出性能。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求， 輸出紋波系數(shù)控制在小于1% 的范圍內(nèi)。