2022年低电压数字系统电源设计技术 .pdf

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1、38V/100A可直接并联大功率AC/DC 变换器引言随着电力电子技术的发展，电源技术被广泛应用于计算机、工业仪器仪表、军事、航天等领域，涉及到国民经济各行各业。特别是近年来，随着IGBT 的广泛应用，开关电源向更大功率方向发展。研制各种各样的大功率，高性能的开关电源成为趋势。某电源系统要求输入电压为AC220V ，输出电压为DC38V ，输出电流为 100A ，输出电压低纹波，功率因数0.9，必要时多台电源可以直接并联使用，并联时的负载不均衡度 5。设计采用了AC/DC/AC/DC变换方案。一次整流后的直流电压，经过有源功率因数校正环节以提高系统的功率因数，再经半桥变换电路逆变后，由高频变压

2、器隔离降压，最后整流输出直流电压。系统的主要环节有 DC/DC 电路、功率因数校正电路、PWM 控制电路、均流电路和保护电路等。1 有源功率因数校正环节由于系统的功率因数要求0.9 以上，采用二极管整流是不能满足要求的，所以，加入了有源功率因数校正环节。 采用 UC3854A/B控制芯片来组成功率因数电路。UC3854A/B是 Unitrode 公司一种新的高功率因数校正器集成控制电路芯片，是在UC3854 基础上的改进。其特点是：采用平均电流控制，功率因数接近 1，高带宽，限制电网电流失真3 1。图 1 是由 UC3854A/B控制的有源功率因数校正电路。该电路由两部分组成。UC3854A/

3、B及外围元器件构成控制部分，实现对网侧输入电流和输出电压的控名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 5 页 - - - - - - - - - 制。功率部分由L2 ，C5，V 等元器件构成Boost 升压电路。开关管V 选择西门康公司的SKM75GB123D模块，其工作频率选在35kHz 。升压电感 L2 为 2mH/20A 。C5 采用四个 450V/470F 的电解电容并联。 因为，设计的 PFC 电路主要是用在大功率DC/DC 电路中，所以，在负载轻的时候不

4、进行功率因数校正，当负载较大时功率因数校正电路自动投入使用。此部分控制由图1 中的比较器部分来实现。R10 及 R11 是负载检测电阻。当负载较轻时，R10 及 R11 上检测的信号输入给比较器，使其输出端为低电平，D2 导通，给 ENA( 使能端 )低电平使 UC3854A/B封锁。在负载较大时ENA 为高电平才让UC3854A/B工作。D3 接到SS （软启动端），在负载轻时D3 导通，使 SS 为低电平；当负载增大要求UC3854A/B工作时， SS 端电位从零缓慢升高，控制输出脉冲占空比慢慢增大实现软启动。2 DC/DC 主电路及控制部分分析2.1 DC/DC 主电路拓扑在大功率高频开

5、关电源中，常用的主变换电路有推挽电路、半桥电路、全桥电路等2。其中推挽电路的开关器件少， 输出功率大， 但开关管承受电压高 （为电源电压的2 倍） ，且变压器有六个抽头，结构复杂；全桥电路开关管承受的电压不高，输出功率大，但是需要的开关器件多（4 个） ，驱动电路复杂。半桥电路开关管承受的电压低，开关器件少，驱动简单。根据对各种拓扑方案的工程化实现难度，电气性能以及成本等指标的综合比较，本电源选用半桥式DC/DC变换器作为主电路。图2 为大功率开关电源的主电路拓扑图。图 2 中 V1，V2，C3，C4 和主变压器T1 组成半桥式DC/DC变换电路。 IGBT采用西门康公司的SKM75GB123

6、D模块，工作频率定在30kHz 。高频变压器采用国产铁氧体EE85B 磁芯，原边绕组匝数为12 匝，副边两个绕组均为6 匝，变压器无须加气隙。在绕制变压器时采用“ 三段式 ” 方法绕制，以减少变压器的漏感 3。整流二极管采用快速二极管，以减小其反向恢复时间对输出的影响。R1，C1，R2，C2 为并在 IGBT 两端的吸收电路。R5 及 C6 和 R6 及 C7 为并在快恢复二极管两端的吸收电路。R3 和 R4 起到保证电容 C3 及 C4 分压均匀的作用。CT 为初级电流检测用的电流互感器，作为电流控制时的电流取样用。为了防止电源在运行过程中产生偏磁，在原边绕组串联隔直电容C5，阻断与不平衡伏

7、秒值成正比的直流分量，平衡开关管每次不相等的伏秒值。C5 采用优质 CBB 无感电容。变压器的副边采用全波整流加上两级LC 滤波以满足低输出纹波的要求。电阻R7 及 R8 为输出电压反馈采样电阻。2.2 PWM电路及 IGBT 的驱动系统的 PWM 部分采用电流型控制芯片UC3846 组成波形产生电路4。 图 3 是大功率开关电源的PWM控制的电气原理图。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 5 页 - - - - - - - - - R1 和 C2 组成 UC

8、3846 的振荡器，振荡频率为f=2.2/R1C2 。为了防止两路开关管的互通，要设定两路输出都关断的 “ 死区时间 ” ， 它由振荡锯齿波的下降沿决定。从脚 8经 R2 及 C1 到脚 4 （SEN ） 作为 UC3846电流控制的斜坡补偿，以有效地防止次谐波振荡。主电路电流信号经电流互感器CT，桥式整流和阻容滤波后作为 UC3846 的电流反馈信号。UC3846 对电流放大器的输出电压脉冲与最大电流限制值（由脚1 电压和电压误差放大器的输出电压确定）逐个地进行比较，当脉冲开关电流超过最大电流限制时，UC3846将封锁输出脉冲， 限制了开关电源的最大输出电流。C5 为实现软启动的电容。UC3

9、846 的脚 1 电位低于0.5V时无脉宽输出， 在脚 1 接电容到地， 开机后随着电容的充电，电容电压高于0.5V 时有脉宽输出，并随着电容电压的升高脉冲逐渐变宽，完成软启动功能。IGBT 是一复合功率器件，集双极型晶体管和功率MOSFET 的优点于一体，具有电压型控制，开关损耗小，通断速度快， 工作频率高， 器件容量大等优点，很适合用于大功率电源变换器中，因此，近年来 IGBT技术得到了迅猛的发展5。专门用于 IGBT 的驱动电路很多，如富士公司的EXB841 及 EXB651 系列，三菱公司的M57959L系列。它们都具有开关频率高，驱动功率大，过流过压保护等优点，但必须要有专门的驱动电

10、源，因此，导致设备整体成本提高。脉冲变压器也可以作为IGBT 的驱动，它有体积小，价格低，不需要额外的驱动电源的优点，但是直接驱动时， 脉冲的前沿与后沿不够陡，影响 IGBT 的开关速度。 图 3所采取的驱动电路具有开关频率高，驱动功率大，结构简单，且具有负压关断的特点。V1V4，D2D5构成了脉冲变压器的驱动电路，适用于驱动大功率的IGBT 。D1 和 D6 有利于 V1V4 的关断。当PWM1为高， PWM2 为低电平时， V1 和 V4 导通；当 PWM1 和 PWM2 均为低电平时，变压器中由于漏感储存的能量通过 D3 和 D4 进行续流， 使 A 点电位降至 0.7V，虽然这时 PW

11、M1 为低电平但V1 再次导通，则 V1处于高频通断状态而容易烧毁。PWM2 由高电平向低电平转换时V2 存在同样情况。加入D6 可以使续流时 A 点电位钳制在0V，从而有利于V1 或 V2 的关断。同理D1 的作用是利于V3 或 V4 的关断。2.3 均流环节设计并联运行是电源技术的发展方向之一。欲使开关电源并联运行，做到各电源模块之间的“ 均流 ” 是关键。常用的均流方法有外特性下垂法、主从电源设置法、外部电路控制法、平均电流法、最大电流法6。分析各种均流方法可知，下垂法虽然简单易行，但负载效应指标较差，均流精度太低；主从设置法和平均电流型自动均流法都无法实现冗余技术，因为，一旦主电源出故

12、障，则整个电源系统都不能正常工作，使电源模块系统的可靠性得不到保证；外控法的控制特性虽好，但需要一个附加的控制器，并在控制器和每个单元电源之间有许多附加连线；而最大电流自动均流法依据其特有的均流精度高，动态响应好，可以实现冗余技术等性能，越来越受到开发人员的青睐。UC3907 是 Unitrode 公司根据最大电流法设计的均流控制芯片。图 4 是采用 UC3907 设计的电源并联运行时的均流环节。系统采用霍尔电流传感器来检测主电路输出电流。霍尔传感器的输出经分压与UC3907 的脚 2 电流检名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - -

13、- - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 5 页 - - - - - - - - - 测相连。脚 11 为电压反馈端， 输出端分压得到的电压与UC3907 内部的电压放大器所接的基准电压（2.0V 2.1V）相比较后，输出经驱动放大器作为系统UC3846 的电压反馈。脚15 接均流母线。 UC3907 内部的电流放大器将检测到的电流信号放大20 倍与均流母线上的信号比较。若大于均流母线上的信号，则母线上的电压将由该电源决定，即“ 主控 ” ；若调节器的输出电流小于母线上的电流信号，即“ 辅控” 时，调节器使电压放大器的基准电压升高100mV ， 强迫系统的反馈电压减

14、小， 通过 UC3846 的调节使该电源输出电压增加，从而自动平衡电流。在试验过程中出现主辅控状态来回切换的情况。分析其原因发现，当在“ 辅控 ” 状态时，电流调节器使基准电压升高100mV 的同时会使电流增大， 当电流大于母线电流信号时，致使该模块变为“ 主控” 。而在下一次调节时又变为“ 辅控 ” 。这样，就在主辅控状态之间来回变化，造成系统并联不稳定。我们在脚 14 和脚 6 之间接一个电阻R3，使基准电压在升高时小于100mV ，该模块的输出电流略微增加，不至于成为 “ 主控 ” 模块。如果电阻选取得适当，既能保证电源模块并联均流又不会发生主控、辅控交替现象。2.4 保护电路设计对于

15、DC/DC 电源产品都要求在出现异常情况（如过流、过载、过/欠压）时，系统的保护电路工作，使变换器及时停止工作。但各种情况下的保护又不尽相同。一般说来，在过载、过流时，保护电路要动作且不需要自动恢复；而过 /欠压则不同， 在过 /欠压情况解除后要求系统能够重新工作。图 5 是系统的保护电路（主要是控制UC3846 来停止半桥变换器工作） 。UC3846 的脚 16（SHTDN ）为关断控制脚。当出现过/欠压（或过流、过载）时，可使U1(或 U2) 导通， D1（或 D2 ）导通，则脚16 为高电平使UC3846 关断，封锁输出脉冲。不同的是，过/欠压电路使UC3846 的脚 1 经三极管 V1

16、 接地。当发生过 /欠压时， D1 导通使脚 16 为高电平，在UC3846 关断的同时， V1 导通，将 UC3846 内部脚 16 所接的晶闸管短接，使其承受负压关断。这样在过/欠压解除后UC3846 能够重新输出脉冲使变换器工作。而在过流、过载情况出现时名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 5 页 - - - - - - - - - C3846 封锁输出脉冲，在封锁解除时脉冲不能恢复。3 各部分电路波形研制成功的试验样机，在稳态运行时的各部分波形如图6 及图 7 所示。4 结语所制作的工程样机，已经通过性能测试。该系统具有输入过、欠压，输出过流保护等功能，输出电压的电源调整率不大于1，负载调整率不大于1，输出电压纹波小于50mV ，功率因数大于0.9, 并联运行时均流精度控制在5以内，满足设计要求。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 5 页 - - - - - - - - -