大功率开关电源的设计与实现

1、大功率开关电源的设计与实现瞿世尊,王可亮,陈健(西安电子科技大学通信工程学院,陕西省西安市710071【摘要】介绍了开关电源设计中需要考虑的几个基本问题,包括频率的确定、最大占孔比D m 的确定、逆变变压器的设计和开关功率管的选择,并以一种1kW 的PW M 大功率半桥式开关电源为例,详细介绍实际的开关电源设计方案,并给出了实验结果。关键词:大功率开关电源,逆变变压器,功率半导体,逆变电路中图分类号:T N86收稿日期:2003207229;修回日期:20042012100引言现代电子、通信技术的发展对电源的要求越来越高。开关电源以其体积小、重量轻、变换效率高等优点,广泛应用于家电、计算机、通

2、信、控制等设备中。开关电源是一种采用功率半导体器件作为开关元件,通过控制开关元件的开关占空比来调整输出电压的器件。它以小型、轻量和高效的特点被广泛应用于几乎所有的电子设备中。开关电源在新兴的电子设备中得到广泛应用,已逐渐取代了连续控制式的线性电源。1设计中考虑的基本问题1.1频率的确定开关频率对电源的体积以及特性影响很大,必须综合考虑。开关电源理论上是低耗的,但是功率半导体存在开关损耗,而且这种损耗与开关频率成正比。频率升高时,电路中的体积减小,过渡响应速度快。升高频率是开关电源发展的总趋势。但是,频率升高,开关电源的损耗和噪声增大,这就对散热结构、开关器件性能和变压器的设计有很高要求。而且,

3、电磁干扰的高频分量增多,也增大了对周围的电子设备的影响。1.2最大占空比D max 的确定最大占空比D max 定义为:D max =T ON maxT式中:T ON max 为最大导通时间;T 为周期。D max 是设计电路时的重要参数,选为0.400.45较为适宜。它对主开关元件和输出二极管的耐压、输出保持时间、输出变压器和输出滤波器的体积及变换效率等都有很大的影响。D max 选得窄,高频谐波分量增多(开关控制信号基频不变,如果频率特性不太好,功率开关管关闭到开通的过渡时间延长,使得开关损耗增大,电源效率降低。1.3逆变变压器的设计逆变变压器是隔离式逆变器的重要组成部分,它对逆变器的效率

4、和工作可靠性以及输出电器性能起着非常重要的作用。逆变变压器的设计步骤如下:a 通过比较、分析和估算,选择合适的铁心材料、匝数比和形状。根据磁路的基本定律,逆变变压器的线圈最小电压V min 、匝数N 、铁心工作磁通密度T 、线圈电感L 之间的关系为:V min =Nd d t =NS d Bd t ×106=NSB m t ONmax×10-4(1L =0e N 2Sl×103(2式中:为磁通量,=BS ;B 为铁心的工作磁通密度(T ;S 为磁芯的有效截面积(mm 2;B m 为最大工作磁通密度(高斯,与选择的磁性材料有关;0为真空磁导率;e 为磁芯材料的相对磁

5、导率;l 为平均磁路长度。根据上面的估算,可查表得到磁性材料。b 确定变压器的匝数比。逆变变压器的输入电压和输出电压是随负载变化的,必须保证在最低输入电压时能输出所要求的最高电压V Omax ,这时,逆变器工作在最大占空比D max 。最低输入电压V Imin 决定了最低变压器初级电压V 1min ,这时变压器次级电压V 2min 也是最低。这几个量的关系为:n =N 1N 2=V 1minV 2min (3V 2min =V Omax +V F +V X2D max(4式中:V F 为输出整流管的压降;V X 为输出绕组内阻上的压降。83第30卷第4期2004年4月电子工程师E LECTRO

6、NIC E NGI NEER V ol.30N o.4Apr.2004c确定铁心窗口利用系数。要考虑输出电路的形式和可操作的绕制工艺,这些与逆变器的负载、输入输出电压等级、输出容量、可靠性指标等有很大关系。确定了变压器工作方式和电压波形,可以推算出变压器磁芯面积乘积A e A c。其中:A e为磁芯横截面积(m2;A c为磁芯窗口面积(m2。下面以双端口、有死区的逆变器为例给出A e A c 的计算公式:A e A c=P O(1+K jf Ke K c B m(5式中:为效率,=输出功率P O/变压器输入功率P I;K为波形系数,方波为4.0,正弦波为4.4;K e为磁芯截面有效系数,可以查

7、表得到;K c为窗口利用系数; f为工作频率;j为导线的平均电流密度(A/m2。求出A e A c后,通过查表,就可以确定磁芯的型号和规格。应注意,A e A c相近的磁芯其A c和A e可能相差较大,选择时既要考虑匝数与绕制工艺,又要考虑变压器的安装形式。d确定合适的最大工作磁通密度。根据铁心的材料、工作环境和散热技术等诸多因素,使铁心具有合理的利用率和损耗。e确定铜线的电流密度。根据工作频率,考虑导线形状和集肤效应,以合理设计导体的截面积和铜耗。当交流电流过导体时会产生集肤效应,表现为导体中的电流密度向中心越来越小,并成指数规律下降。集肤效应与交流电的频率、温度有如下关系:=f(6式中:为

8、穿透深度;为导体材料的电阻率(m,与温度有关;为导体磁导率;f为频率。集肤效应对导体的影响是使导体发热,严重时会损坏器件。因此,圆导体的直径和扁导体的厚度要略小于导体的穿透深度,这样选择的导体在高温时也能满足发热的要求。经过上面的估算结果,得到了逆变变压器的匝数、匝数比、磁性材料的特性、磁芯的窗口以及导线的线径。有了这些数据就可以绕制逆变变压器了。但是,计算结果并不能精确符合实际结果,还要反复实验才能得到满意的结果。1.4开关功率管的选择目前流行的功率开关器件有功率晶体管(G TR、功率MOSFET管和绝缘栅双极型晶体管(IG BT。G TR是一种双极型大功率晶体管,应用在几kVA 的逆变器中

9、。G TR是电流驱动方式,驱动电流随输出功率的增大而成比例增大。因此,驱动电路设计较为复杂,驱动条件选择困难,直接影响开关功率。G TR虽然已经被广泛使用,但是由于其驱动功耗大、开关速度慢及二次击穿方面的不足,将逐步被IG BT和其他新型开关器件取代。在几十kW以下的逆变电源中,主开关器件以功率MOSFET为主。逆变频率为几十kH z到几百kH z。功率MOSFET是电压驱动方式,它的负载电流与安全工作区域无关,驱动电路设计较为简单。G TR是电流驱动方式,功率越大,要求的驱动电流越大,所以仅从驱动电路上考虑,G TR器件不适合做大功率开关电源的功率管。使用MOSFET的电源具有容量密度高、噪

10、声小、工作速度高、无二次击穿问题、安全工作区宽等优点。高频工作的MOSFET管已成为开关电源中重要的有源器件。IG BT将MOSFET与G TR的优点集于一身,既有MOSFET输入阻抗高、速度快、热稳定性能好和驱动电路简单的优点,又有G TR通态电压低、耐压高和承受电流大的优点,是取代G TR的理想器件。2开关电源设计实例下面以一个输出功率达到1kW的脉宽调制(PW M型大功率半桥式开关电源为例,介绍开关电源的设计方案与调试的过程。该开关电源包括整流电路、控制驱动电路、开关电路、变压器电路及整流输出电路 。基本框图如图1所示。图1半桥式开关电源电路图1中,220V市电经整流滤波以后,得到直流电

11、压V i施加在功率管上。功率管的栅极信号是经过控制、放大和加速3部分电路产生的。控制电路采用SG3525芯片,产生两路相位差为180°的正交信号。该芯片具有优良的性能,驱动电流最高可达到1A。它的脉宽调制比较器将反馈电压与基准5V信号进行比较,调整两路信号的脉冲宽度,使输出电压趋于恒定。图2是控制及加速电路。SG3525内设振荡电路,产生的开关频率最高可达200kH z,频率由电阻器RT、R8和电容器CT的参数R T、R8、C T所决定,即f=1C T(0.7R T+3R8(793第30卷第4期瞿世尊,等:大功率开关电源的设计与实现基本电子电路 图2驱动及加速电路SG 3525的限流

12、电路把从开关电源上耦合并整流得到的直流电压反馈到管脚10,起过流保护和短路保护作用。该芯片还有软启动作用。 放大电路采用普通桥式平衡电路,产生峰2峰值为30V 的信号。经耦合变压器产生两路峰2峰值为15V 正交信号A 2、B 2,再经过加速电路提供驱动电压给功率管的栅极。加速电路的功能是:在开通瞬间,减少由关断到开通的过渡时间;而在关断瞬间,使功率管瞬时关断,以减少关断的过渡时间,进而减小开关损耗。图3是逆变器一路栅极驱动电路测量得到的输出信号波形。可以看出,占空比约为40%,这个值比较合适。上升沿有一个约3V 的突起,它有利于开关电路在断开到导通的过程中瞬间导通,以减小开关损耗。这个突起电压

13、值不宜过大,否则会击穿开关管。图3一通道栅极驱动电路信号波形功率管采用功率MOSFET 器件2SK 1020(反向耐压300V ,常温时最大电流30A ,它是电压驱动器件。工作时,如图1所示,在高频开关管的截止期(C3和C4的容量相等,电路对称,电容中A 点的电压为输入电压V i 的一半即E /2,当VDV1开通时,C3通过VDV1和主变压器的初级放电;同时,C4通过输入电源、VDV1和初级充电,A 点电位在C3、C4的充放电过程中将按指数规律下降,A 点电位降到E /2-E (E 为变化量。接着,又是二极管截止时间,A 点电位恢复为接近E /2;VDV2导通时,C3充电,C4放电 ,A 点电

14、位为E/2+E 。如此周期往复,C3、C4起到储能的作用。开关管在由导通变为截止的过程中,漏感引起的尖峰电压被二极管钳位;一个开关管导通时,另一个开关管上施加的电压大致与输入电压一样,因此,开关管上承受的最大电压不超过电源输入电压。由此可见,半桥逆变式电路变压器初级施加的电压只是电源电压的一半,所以要使它与推挽电路输出同样大小的功率,开关管的电流将是推挽电路的2倍。所以,半桥电路不适合做输出功率较大的逆变电路。但是,半桥电路有一大优点,就是抗电路不平衡能力强。如何减小主变压器的漏感是绕制变压器过程中要考虑的重要问题。减小漏感有利于减小变压器发热,提高变压器转换效率,减小电路中电压尖峰毛刺以及提

15、高开关管可靠性。在绕制变压器时,要注意尽量采用薄的绝缘材料,以减小绕组的厚度和初、次级的间隔;并采用窗口较高的铁心。另外,大部分逆变变压器是降压型输出,初级匝数比次级匝数多,因此,将初级绕组分为两部分,次级绕组夹在中间,然后把两部分初级绕组级联在一起,这样也可以减小内层初级绕组的厚度,改善绕组的耦合。对于电流较大的绕组,采用与窗口等高的宽薄铜带,能减轻集肤效应的影响,也使初、次级绕组间隔减小,从而降低漏感。逆变变压器的次级电路测量得到的输出电压(波形如图4所示加在整流电路的输入端,经过整流半导体和平滑电容后得到直流输出电压。图4一路逆变变压器的次级电路输出电压波形经测试,得到该开关电源的技术参

16、数为:输入电压交流220V ±5%;输出电压-15V 、+15V (两路输出;输出电流直流-30A ,瞬时60A (60s ;输出稳定度2%;整机效率84%。基本满足实际应用要求。3结束语本文以一个大功率半桥式开关电源为例,结合实验介绍了开关电源的一些基本理论知识、设计方案,并给出了实验结果。大功率开关电源的制作涉及大电流和强电压,应该细致和耐心地进行。参考文献京:电子工业出版社,1999社,2000(下转第43页04基本电子电路电子工程师2004年4月屏蔽盒,屏蔽盒材料由外到内分别是铜和铁。如果条件允许,可以用磁导率更高的坡莫合金代替铁,这样能获得更好的低频电磁屏蔽效果。4测试结果

17、采用传统的正弦波法对低频低噪声放大器进行噪声指标测量。测试方案如图3所示,主要衡量屏蔽盒对测量可靠性和稳定性的影响 。图3低频低噪声放大器测试方案测试条件为:测试频率75H z ,放大器增益2200倍。测试1:打开屏蔽盒盖测试,电压表指针摆动剧烈,根本无法准确读数。由此可见,外界电磁干扰非常严重,对低频低噪声放大器影响极大。测试2:合上屏蔽盒盖测试,电压表指针指示稳定,基本不动,重复测试若干次,数据一致性很好。测试结果为:N F o =0.06mV ;换算到输入端,噪声系数N Fi 为:N Fi =0.062200170=2(nV/Hz 5结束语本文在详细分析屏蔽的基本原理基础上,提出了对低频

18、低噪声放大器屏蔽结构设计的一种合理、科学的方法,并通过实验测试表明,该方法抗干扰能力强,可保证低频低噪声放大器工作的可靠有效和测量的准确真实。参考文献1993社,1996能出版社,1997The Shielding Design of Low N oise and Low Frequency AmplifierYin Yalan 1,Wu Bin 2(1.Nanjing Branch of Naval University of Engineering ,Nanjing 211800,China ;2.Naval University of Engineering ,Wuhan 430000,

19、China 【Abstract 】In this article we introduce briefly noise and interference and analyse the basic principles of shield in detail.Furtherm ore ,we suggest a shielding design method ,which has proved effective by testing.This w ould ensure reliability in use and precision in measurement of low frequency and low noise am plifier.K eyw ords :low frequency am pli