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基于UC3825的低壓大電流開關(guān)電源

作者: 時間:2014-02-16 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

1 的設(shè)計

的基本結(jié)構(gòu)主要由7部分組成: 輸入整流濾波電路、高頻開關(guān)變換器電路、整流輸出電路、控制電路、保護(hù)電路、輔助電源以及顯示電路。

1.1 主電路

該設(shè)計的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1 所示, 輸入市網(wǎng)220 V 電壓, 通過RC 濾波及整流橋整流、全橋逆變、高頻變壓器、輸出整流以實現(xiàn)AC /DC /AC /DC 的變換過程, 最終得到所需要的15 V直流穩(wěn)壓電源。

1.1.1 輸入濾波整流( AC /DC)

低電壓大電流的對高頻干擾信號以及上電瞬間的浪涌電流十分敏感, 為了保證電路穩(wěn)定工作, 消除來自電網(wǎng)的各種干擾, 輸入的220 V 市電首先經(jīng)RC濾波電路, 對尖峰電壓進(jìn)行抑制。高頻濾波后的電壓經(jīng)整流電路整流, 得到直流電壓。橋式整流電路后面的濾波電容具有充放電作用, 濾除整流后的交流成分。

1.1.2 高頻開關(guān)變換器( DC /AC)

它是開關(guān)電源的重要部分, 逆變電路采用全橋變換, 由4個IGBT開關(guān)管組成橋的四臂, 每個IGBT并聯(lián)1個高速功率二極管, 其鉗位作用以減小開關(guān)管由導(dǎo)通轉(zhuǎn)換為截止時, 變壓器產(chǎn)生的電壓尖峰, 以保護(hù)開關(guān)管不被擊穿。IGBT, 絕緣柵雙極型晶體管, 既具有輸入阻抗高、速度快、熱穩(wěn)定性好和驅(qū)動電路簡單的優(yōu)點(diǎn), 又有通態(tài)電壓低、耐壓高的優(yōu)點(diǎn)。開關(guān)管IGBT 的柵極接收PWM 信號, 當(dāng)門極加正電壓, MOSFET內(nèi)形成溝道,并為PNP晶體管提供基極電流, 從而使IGBT 導(dǎo)通。此時從P區(qū)注入到N 區(qū)進(jìn)行電導(dǎo)調(diào)制, 減小N - 的電阻值, 使高耐壓的IGBT也具有低的通態(tài)壓降。在門極上加負(fù)電壓時, MOSFET內(nèi)的溝道消失。PNP晶體管的基極電流被切斷, IGBT 關(guān)斷。T1、T4與T2、T3輪流高頻通斷, 將直流電壓變成交流電壓, 再經(jīng)高頻隔離變壓器變成所需的隔離輸出交流電壓。此處的高頻變壓器采用鐵基鈮銅納米晶環(huán)形鐵芯高頻變壓器, 這種變壓器具有損耗小、漏感低、體積小等特點(diǎn)。

1.1.3 輸出整流濾波( AC /DC )

由高頻隔離變壓器輸出的逆變電壓, 經(jīng)過大功率高頻整流二極管SBD( 即肖特基二極管) 構(gòu)成的整流電路整流, 再經(jīng)LC濾波電路濾波后輸出直流電壓, 輸出端的分流器對輸出進(jìn)行采樣, 傳送到控制電路進(jìn)行控制調(diào)節(jié), 輸出穩(wěn)定的電壓。

1.2 控制電路

控制電路是開關(guān)電源穩(wěn)定工作的重要保證, 選取作為控制芯片, 它由振蕩器、PWM 比較器、PWM 鎖存器、輸出驅(qū)動器、限流比較器、過流比較器、基準(zhǔn)電壓源、故障鎖存器、軟啟動電路、欠壓鎖定等組成。

最高開關(guān)頻率可達(dá)到1MH z, 輸出脈沖最大傳輸延遲時間為50 ns, 具有軟啟動控制和欠壓鎖定等功能, 應(yīng)用的功能設(shè)計開關(guān)電源的控制電路, UC3825的2個脈沖輸出端為開關(guān)管IGBT提供PWM 驅(qū)動信號, 交替輸出脈沖。因此, 每個輸出端輸出脈沖的頻率是振蕩器頻率的1 /2, 振蕩器的頻率為200 kH z, 所以輸出PWM 脈沖的頻率為100 kH z, 輸出脈沖占空比在0% ~ 50%以內(nèi)調(diào)整, 為了避免橋臂短路, 常設(shè)置死區(qū)時間, 因此實際應(yīng)用中一般達(dá)不到50%。UC3825的4、6、11、14腳的波形如圖2所示, 11、14腳波形經(jīng)驅(qū)動電路輸出耦合至IGBT 的柵極, 控制IGBT的開通和關(guān)斷。開關(guān)管的驅(qū)動電路如圖3所示。

在實際應(yīng)用中, IGBT的驅(qū)動電路對IGBT的工作好壞具有相當(dāng)大的影響, 因此, 驅(qū)動電路要具有幾點(diǎn)要求: 能提供合適的正反向電壓, 保證管子可靠的開通和關(guān)斷; 動態(tài)驅(qū)動能力強(qiáng); 信號傳輸基本無延時, 提高工作速度; 當(dāng)出現(xiàn)異常情況時, IGBT能實現(xiàn)軟關(guān)斷, 對管子進(jìn)行過壓、過流保護(hù)。使用的驅(qū)動電路能夠提供+ 15 V 和- 15 V的正向和反向電壓, 開通和關(guān)斷延時控制在1u s內(nèi), 且具有過壓和短路保護(hù), 另外, 具有故障軟關(guān)斷功能。

為了得到穩(wěn)定的輸出, 在輸出端進(jìn)行實時采樣。如圖4所示, 采樣電流流經(jīng)采樣電阻會產(chǎn)生一個壓降, 將該壓降作為反饋信號, 輸入到電壓比較器, 與給定的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較, 產(chǎn)生一個差值, 通過誤差放大器比較放大后, 輸出的差值信號和鋸齒波( 或三角波)比較, 從而改變輸出脈沖的寬度, 當(dāng)輸出大于基準(zhǔn)電壓時, 減小脈沖寬度占空比, 反之, 則增大占空比, 以實現(xiàn)能得到一個穩(wěn)定的輸出。

1.3 保護(hù)電路

考慮到開關(guān)電源的特點(diǎn)和實際的電氣特性, 為了使其能在惡劣環(huán)境以及突發(fā)故障情況下安全可靠地工作, 在實際的制作中充分利用UC3825的特性, 設(shè)計了電壓電流保護(hù)電路以及軟啟動保護(hù)等保護(hù)電路。軟啟動是通過軟啟動( SOFT、START )腳的外接電容實現(xiàn)的。接通電源后, 軟啟動腳外接電容放電, 該腳處于低電平, 誤差放大器輸出低電平, 開關(guān)電源無輸出電壓。

當(dāng)內(nèi)部電流源給軟啟動腳外接電容充電時, 誤差放大器輸出電壓逐漸升高, 直到閉環(huán)調(diào)節(jié)功能開始工作, 開關(guān)電源輸出電壓逐漸升高到額定值。一旦限流( ILIM )腳的電平超過1. 2 V, 故障鎖存器置位, 輸出腳變?yōu)榈碗娖? 同時, 軟啟動腳外接電容以250uA的電流放電。在軟啟動電容放完電后, 限流腳電平降到1. 2 V以下時, 故障鎖存器就不輸出脈沖。這時, 故障鎖存器復(fù)位, 芯片開始軟啟動過程。

過流保護(hù)和過壓保護(hù)是在主電路中采樣輸入到保護(hù)電路中, 對電源起到保護(hù)作用。保護(hù)電路如圖5、圖6所示。

在開關(guān)變換電路和高頻變壓器之間加上一個檢測電流的互感器, 將檢測量輸入到UC3825的9腳限流端, 當(dāng)檢測到開關(guān)電流達(dá)到上限電流時, 上限電流比較器輸出為高電平, 比較器的輸出就是上限電流觸發(fā)器的S端, 當(dāng)S 為高電平時, 觸發(fā)器輸出為高, 即觸發(fā)器輸出連接的NPN 管子基極變高, NPN 管子導(dǎo)通, FB被拉低, 從而保護(hù)電路的過流問題。

在主電路輸出端直接實時采樣電壓, 與給定電壓比較后,把信號放大, 經(jīng)過隔離后輸入到UC3825的2腳, 控制PWM 信號的占空比, 從而控制主電路輸出電壓的變化。

過熱保護(hù)是通過檢驗系統(tǒng)中的熱繼電器通斷來具體實現(xiàn)的, 當(dāng)開關(guān)電源正常工作時, 熱繼電器處于常通狀態(tài), 一旦溫度過熱, 超過額定值, 熱繼電器開關(guān)會斷開, 通斷的信號會反饋到控制電路中, 達(dá)到過熱保護(hù)的作用。

1. 4 輔助電源

輔助電源是給控制電路供電的, 分為2 部分: 一部分是UC3825以及其他控制部分的電源, 控制部分的輔助電源。另一部分是電壓反饋環(huán)節(jié)的電源。該設(shè)計將電網(wǎng)的220 V 電壓接到工頻變壓器上, 為芯片UC3825, 缺相保護(hù)、欠壓、過壓保護(hù)等電路提供5 V、12 V、18 V 等工作電壓。

1.5 顯示電路

在開關(guān)電源的控制面板上, 設(shè)有電流表、電壓表, 顯示輸出的電流值、電壓值, 輔助電源給電流表, 電壓表提供5 V電壓驅(qū)動數(shù)碼管, 顯示面板上還設(shè)置了過熱、缺相、異常指示燈、恒流恒壓轉(zhuǎn)換開關(guān)。作為外在顯示部分, 可以清楚地觀察到系統(tǒng)的實時工作情況, 保證開關(guān)電源安全穩(wěn)定的工作。

2 實驗測試與結(jié)果

在測試實驗中, 采用可變負(fù)載車作為調(diào)試負(fù)載, 根據(jù)需要改變電阻絲的并聯(lián)條數(shù), 對于輸出電壓、電流的控制, 可以通過改變控制板上的可變采樣電阻, 進(jìn)而由UC3825調(diào)整PWM 信號的占空比, 達(dá)到預(yù)期的輸出值。調(diào)試完畢, 還要對機(jī)器進(jìn)行老化試驗。該樣機(jī)的測試結(jié)果表明: 電源輸出的脈動電壓尖峰小, 輸出電流平緩穩(wěn)定, 波動幅值小, 而且具備高效節(jié)能, 體積重量小的優(yōu)點(diǎn)。

3 結(jié)束語

開發(fā)了15 V /1 200 A的低電壓大電流的大功率開關(guān)電源,采用脈寬調(diào)制芯片UC3825作為控制核心, 對整個系統(tǒng)進(jìn)行控制。同時, 設(shè)計的軟啟動電路、欠壓過壓及過流保護(hù)電路, 增加開關(guān)電源工作的可靠性和穩(wěn)定性。目前系統(tǒng)已經(jīng)完成了實驗調(diào)試, 主電路已經(jīng)能夠安全穩(wěn)定的帶載工作, 該設(shè)計為高頻開關(guān)電壓在電鍍行業(yè)中的應(yīng)用提供了理論和實踐的有力保證。

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