基于Topswitch的新型高壓直流電源

Topswitch器件及特性

Topswitch是美國(guó)Power Integrations公司從1994年起推出的開關(guān)電源新器件，它把脈寬調(diào)制（PWM）控制器與需壓700V的功率開關(guān)管MOS-FET合二為一集成到一塊芯片上，大多采用TO220三腳封裝，通過(guò)漏極D、源極S和控制極C與外電路相連，如圖1。

其產(chǎn)品型號(hào)除PWR-TOP100-104、PWR-TOP200-204、PWR-TOP209-210外，最近又推出了PWR-TOP221-270等新產(chǎn)品。Topswitch的IC的問(wèn)世，不僅解決了過(guò)去由于開關(guān)電源中的脈寬調(diào)制控制芯片和功率開關(guān)管相互獨(dú)立所造成的外圍元件及輔助電路多，致便開關(guān)電源電路復(fù)雜的問(wèn)題，且仍然具有過(guò)流保護(hù)和超高溫關(guān)斷等功能。它使SMPS開關(guān)電源對(duì)市電的適應(yīng)范圍加寬（可適應(yīng)82～265V市電），有力地促進(jìn)了SMPS的高效化、模塊化、小型化和輕量化，為設(shè)計(jì)新一代SMPS奠定了基礎(chǔ)。

在SMPS電路中，一般情況下，Topswitch開關(guān)器件的漏極D和變壓器初級(jí)的一端相接。由于漏感引起的反峰電壓反射到變壓器的初級(jí)，將直接加在漏極上，而反峰電壓與輸出電壓有關(guān)，即輸出電壓越高，反峰電壓也越高，這對(duì)于漏極與源極之間耐壓只有700V的Switch器件來(lái)說(shuō)，超過(guò)700V將很容易使其擊穿，因此Topswitch系列器件制做的開關(guān)電源，大多采用低壓小功率輸出，如何運(yùn)用器件制做高壓直流電源還是個(gè)新課題，下面針對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行了研討。

高壓直流電路的研制

依據(jù)Topswtich電路的特性，我們認(rèn)為可采用二次升壓的辦法獲得輸出為數(shù)千伏的直流高壓。

1、電路組成及工作原理

整個(gè)電路分為低壓和高壓兩部分，如圖2所示。

低壓電路部分是工作頻率為100KHz，具有最簡(jiǎn)單初級(jí)反饋偏置電路（去掉低電壓輸出的整流濾波部分）的開關(guān)電源，220V的市電經(jīng)輸出濾波、橋式整流和濾波，將300V的直流電壓經(jīng)變壓器T1的初級(jí)繞組加到Topswitch的漏極，此時(shí)，Topswitch的內(nèi)部振蕩網(wǎng)絡(luò)給其場(chǎng)效應(yīng)管柵極提供一個(gè)高電平，使場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通，漏極電流從零開始增大，在T1的次級(jí)繞組和反饋繞組中，就會(huì)感應(yīng)出一個(gè)上負(fù)下正的感應(yīng)電壓（據(jù)同名端）。導(dǎo)通一定時(shí)間后，當(dāng)Topswitch內(nèi)部振蕩網(wǎng)絡(luò)加到場(chǎng)效應(yīng)管柵極的電平由高變低時(shí)，使場(chǎng)效應(yīng)管由導(dǎo)通變截止、在截止期間變壓器T1初級(jí)繞組中的電壓變?yōu)樯县?fù)下正，次級(jí)繞組和反饋繞組上的電壓為上正下負(fù)。此后Topswitch內(nèi)部振蕩網(wǎng)絡(luò)加到場(chǎng)效應(yīng)管柵極的電平由低變高，場(chǎng)效應(yīng)管又開始導(dǎo)通，就這樣周而復(fù)始，其工作波形見圖3。這時(shí)在選擇合適的電路元器件及其參數(shù)的情況下，可在變壓器T1的次級(jí)3、4端獲得30V（頻率為100kHz）的電壓輸出。反饋繞組上的偏置電壓由VD3、R1和C2整流濾波，加至Topswitch的控制極，該電路僅作為電路啟動(dòng)用，C2和R2一些完成控制制回路的補(bǔ)償。VD1、CD2用以吸收由漏感引起的尖峰脈沖電壓。

高壓電路部分僅含高壓升壓變壓器T2和若干高壓整流二級(jí)管及濾波電容C3。若變壓器的T1次級(jí)輸出的30V100kHz的交流電壓經(jīng)T2升壓、整流濾波，就可得到數(shù)千伏的高壓直流電。

2、輸出電壓的確定和變壓器的設(shè)計(jì)

變壓器T1的設(shè)計(jì)：實(shí)驗(yàn)電路選用TOP204在220/240V交流電壓下，占空比為50%，而Pmin=52W,Pnom=74W,Pmax=135W，器件工作時(shí)要求變壓器的初級(jí)電感是770～1480μH。為使變壓器的設(shè)計(jì)滿足高頻工作條件，其鐵芯應(yīng)選用高頻鐵氧體E128磁芯。經(jīng)計(jì)算如初級(jí)繞組NP為45匝，則反饋繞組磁NB為5匝，次級(jí)繞組Ns可由PI公司推薦的μ01=[5.7+(Ic×15)]Ns/NB-VD3,該公式可簡(jiǎn)化為μ01=5.7V×NS/NB-VD3，現(xiàn)將輸出電壓按μ0130V計(jì)，則可算出次級(jí)繞組匝數(shù)NS=27匝。

變壓器T2設(shè)計(jì)除了要滿足高頻工作電磁能量傳遞的必要條件（最好選用有效面積和磁路長(zhǎng)度與E128相當(dāng)?shù)目谧中胃哳l鐵芯）外，還必需滿足高壓絕緣條件。其骨架的選擇和繞制方法均可仿效電視機(jī)的高壓包，繞好后還要經(jīng)過(guò)浸染和烘干，裝上鐵芯后，最好用環(huán)氧脂封固，接入電路前要用搖表測(cè)其絕緣強(qiáng)度。若T2的初級(jí)匝數(shù)定為20匝，次級(jí)匝數(shù)定為300匝，接入低壓電路后則可獲得4500V的高壓直流輸出。

3、本高壓直流電源研制注意事項(xiàng)及特點(diǎn)

用Topswitch，采用二次升壓的辦法研制變壓直流電源，其變壓器設(shè)計(jì)是關(guān)鍵，也是技術(shù)難點(diǎn)。要選好材料精心繞制，才能達(dá)到技術(shù)要求。其次是要搞好電路元器件的布局，為防止高壓電路部分對(duì)低壓電路的影響，對(duì)高壓電路應(yīng)采取適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)措施（如屏蔽）。再次是對(duì)已安裝好的高、低壓電路分別調(diào)制，然后再相接，聯(lián)結(jié)時(shí)要注意同名端。

該電路具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，調(diào)試方便等優(yōu)點(diǎn)，所需元器件不多，只要注意上述問(wèn)題，選好元器件參數(shù)，就可得到所需的高壓直流輸出。