低壓大電流開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)
1 引言
開(kāi)關(guān)電源是應(yīng)用現(xiàn)代電力電子技術(shù),控制開(kāi)關(guān)晶體管開(kāi)通和關(guān)斷的時(shí)間比率,維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源。從上世紀(jì)90年代以來(lái)開(kāi)關(guān)電源相繼進(jìn)入各種電子、電器設(shè)備范疇,計(jì)算機(jī)、程控交流機(jī)、通訊、電子檢測(cè)設(shè)備電源、控制設(shè)備電源等都已普遍地運(yùn)用了開(kāi)關(guān)電源。隨著電源技術(shù)的展開(kāi),低電壓,大電流的開(kāi)關(guān)電源因其技術(shù)含量高,應(yīng)用廣,越來(lái)越遭到人們注重。在開(kāi)關(guān)電源中,正激和反激式有著電路拓?fù)浜?jiǎn)單,輸入輸出電氣隔離等優(yōu)點(diǎn),普遍應(yīng)用于中小功率電源變換場(chǎng)所。跟反激式相比,正激式變換器變壓器銅損較低,同時(shí),正激式電路副邊紋波電壓電流衰減比反激式明顯,因此,普通以為正激式變換器適用在低壓,大電流,功率較大的場(chǎng)所。
2 基本技術(shù)
2.1 有源鉗位技術(shù)
正激DC/DC變換器其固有缺陷是功率晶體管截止期間高頻變壓器必需磁復(fù)位。以防變壓器死心飽和,因此必需采用特地的磁復(fù)位電路。通常采用的復(fù)位方式有三種,即傳統(tǒng)的附加繞組法、RCD鉗位法、有源鉗位法。三種方法各有優(yōu)缺陷:磁復(fù)位繞組法正激變換器的優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)成熟可靠,磁化能量可無(wú)損地回饋到直流電路中去,可是附加的磁復(fù)位繞組使變壓器結(jié)構(gòu)復(fù)雜化,變壓器漏感惹起的關(guān)斷電壓尖峰需求RC緩沖電路來(lái)抑止,占空比D<0.5,功率開(kāi)關(guān)管承受的電壓應(yīng)力與輸入電源電壓成正比。RCD鉗位正激變換器的優(yōu)點(diǎn)是磁復(fù)位電路簡(jiǎn)單,占空比D可以大于0.5,功率開(kāi)關(guān)管承受電壓應(yīng)力較低,但大部分磁化能量消耗在鉗位電阻中,因此它普通適用于變換效率不高且價(jià)廉的電源變換場(chǎng)所。有源鉗位技術(shù)是三種技術(shù)中效率最高的技術(shù),它的電路圖如圖1所示,工作原理如圖2所示。在 DT時(shí)段之前,開(kāi)關(guān)管S1導(dǎo)通,激磁電流iM為負(fù),即從Cr經(jīng)過(guò)S1流向Tr,在DT階段,開(kāi)關(guān)管S的驅(qū)動(dòng)脈沖ugs使其導(dǎo)通,同時(shí)ugs1=0,使S1 關(guān)斷,在Vin的作用下,激磁電流由負(fù)變正,原邊功率經(jīng)過(guò)變壓器傳到副邊,給輸出端電感L充電;在(1-D)T時(shí)段,ugs=0,S關(guān)斷,ugs1到來(lái)使 S1導(dǎo)通,iM經(jīng)過(guò)S1的反并二極管向Cr充電,在Cr和Tr漏感構(gòu)成的諧振電路的作用下,iM由正變負(fù),變壓器反向激磁。從以上分析中可以看出:有源鉗位正激變換器變壓器死心工作在雙向?qū)ΨQ磁化狀態(tài),進(jìn)步了死心應(yīng)用率,鉗位電容的穩(wěn)態(tài)電壓隨開(kāi)關(guān)占空比而自動(dòng)調(diào)理,因而占空比可大于50%;Vo一定時(shí),主開(kāi)關(guān)、輔助開(kāi)關(guān)應(yīng)力隨Vin的變化不大;所以,在占空比和開(kāi)關(guān)應(yīng)力允許的范圍內(nèi),能夠順應(yīng)較大輸入電壓變化范圍的情況。缺乏之處是增加了一個(gè)管子,使得電路變得復(fù)雜。
2.2 同步整流技術(shù)
在低電壓大電流功率變換器中,若采用傳統(tǒng)的普通二極管或肖特基二極管整流由于其正導(dǎo)游通壓降大(低壓硅二極管正向壓降約0.7V,肖持基二極管正向壓降約 0.45V,新型低電壓肖特基二極管可達(dá)0.32V),整流損耗成為變換器的主要損耗,無(wú)法滿足低電壓大電流開(kāi)關(guān)電源高效率,小體積的需求。
MOSFET導(dǎo)通時(shí)的伏安特性為一線性電阻,稱為通態(tài)電阻RDS,低壓MOSFET新器件的通態(tài)電阻很小,如:IRL3102(20V,61A)、 IRL2203S(30V,116A)、IRL3803S(30V,100A)通態(tài)電阻分別為0.013Ω、0.007Ω和0.006Ω,它們?cè)诮?jīng)過(guò) 20A電流時(shí),通態(tài)壓降不到0.3V。另外,功率MOSFET開(kāi)關(guān)時(shí)間短,輸入阻抗高,這些特性使得MOSFET成為低電壓大電流功率變換器首選的整流器件。功率MOSFET是一種電壓型控制器件,它作為整流元件時(shí),懇求控制電壓與待整流電壓的相位堅(jiān)持同步才干完成整流功用,故稱為同步整流電路。圖1為典型的降壓型“同步”開(kāi)關(guān)變換器電路(當(dāng)電路中無(wú)SR時(shí),為“普通”的降壓型開(kāi)關(guān)變換器電路)。
3 電路的設(shè)計(jì)
所設(shè)計(jì)的電源參數(shù)如下:輸入電壓為50(1±10%)V,輸出電壓為3.3V,電流為20A,工作頻率為100kHz。
采用的主電路拓?fù)淙鐖D1所示。由于有源鉗位采用的是FLYBACK型鉗位電路,它的鉗位電容電壓為:
Vc=Vin
所選用的控制IC芯片為UC3844,它的最大占空比為50%,所以電容上的電壓最大為Vin,電容耐壓為60V以上,只需選取足夠大即可保證電路能正常工作,本電路所選取的鉗位電容為47μF/100V。
有源鉗位管S1的驅(qū)動(dòng)必需跟變壓器原邊的地隔分開(kāi),而且S1的驅(qū)動(dòng)信號(hào)必需跟開(kāi)關(guān)管S驅(qū)動(dòng)信號(hào)反相,運(yùn)用UCC3580可以完成兩個(gè)管子的驅(qū)動(dòng),可是這個(gè)芯片并不常見(jiàn),因而這里選用UC3844跟IR2110組合。UC3844出來(lái)的控制信號(hào)用來(lái)作為IR2110的低端輸入,其反置信號(hào)作為IR2110的高端輸入,IR2110的高端驅(qū)動(dòng)經(jīng)過(guò)內(nèi)部自舉電路來(lái)完成隔離。這樣,我們就抵達(dá)了驅(qū)動(dòng)兩個(gè)開(kāi)關(guān)管的目的。
在輸出整流電路中,當(dāng)續(xù)流二極管(即SR的反并二極管)受正向電壓導(dǎo)通時(shí),應(yīng)及時(shí)驅(qū)動(dòng)SR導(dǎo)通,以減小壓降和損耗。但為了避免SR與SR1同時(shí)導(dǎo)通,構(gòu)成短路事故,必需有“死區(qū)”時(shí)間,這時(shí)仍靠二極管D導(dǎo)通。SR的開(kāi)關(guān)瞬時(shí)要與續(xù)流二極管的通斷瞬時(shí)密切配合,因此對(duì)開(kāi)關(guān)速度懇求很高。另外,從本錢綜合思索,選用IRL3102。
變壓器的設(shè)計(jì)跟普通正激式變換器變壓器設(shè)計(jì)差不多,只是要思索同步整流管的驅(qū)動(dòng)。所選用的同步整流管的驅(qū)動(dòng)開(kāi)通電壓為4V左右,電路輸出電壓為3.3V,輸出端相當(dāng)于一個(gè)降壓型電路,占空比最大為0.5,所以變壓器副邊電壓至少為6.6V。由于MOSFET的柵-源間的硅氧化層耐壓有限,一旦被擊穿則永世損壞,所以理論上柵-源電壓最大值在20~30V之間,如電壓超越20V,應(yīng)該在柵極上接穩(wěn)壓管。
4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和波形分析
開(kāi)關(guān)管S1和S的Uds波形如圖3所示,RefA為S管壓降波形,50V/div,RefB為S1管壓降波形,50V/div。電路此時(shí)工作在Vin= 60V左右,S1和S的開(kāi)關(guān)應(yīng)力大約為120V,D=0.5左右。圖4為變壓器輸出電壓,也就是同步整流管SR1和SR的驅(qū)動(dòng)信號(hào),正的部分為SR的驅(qū)動(dòng)信號(hào),負(fù)的部分為SR1的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。實(shí)驗(yàn)所得波形和分析的波形基本吻合,只是在開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換瞬間,電壓有小尖峰,這是由電路的雜散參數(shù)惹起的。該電路的工作效率經(jīng)過(guò)丈量大約在90%左右,基本抵達(dá)設(shè)計(jì)的懇求。
5 結(jié)語(yǔ)
3.3V/20A的開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)標(biāo)明,有源逆變加同步整流電路用在低壓大電流的正激式電路設(shè)計(jì)中,不加PFC電路時(shí),能夠取得很高的效率。
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