1 開關(guān)電源的設(shè)計

開關(guān)電源的基本結(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)計的主電路拓撲結(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)

低電壓大電流的開關(guān)電源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，又有通態(tài)電壓低、耐壓高的優(yōu)點。開關(guān)管IGBT的柵極接收PWM信號，當門極加正壓，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)進行電導(dǎo)調(diào)制，減小N一的電阻值，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，I2、 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。

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行采樣，傳送到控制電路進行控制調(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UC3825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、基準電壓源、故障鎖存器、軟啟動電路、欠壓鎖定等組成。UC3825最高開關(guān)頻率可達到1 MHz，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UC3825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 kHz，所以輸出PWM脈沖的頻率為100 kHz，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大的影響，因此，驅(qū)動電路要具有幾點要求：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；信號傳輸基本無延時，提高工作速度；當出現(xiàn)異常情況時，IGBT能實現(xiàn)軟關(guān)斷，對管子進行過壓、過流保護。使用的驅(qū)動電路能夠提供+15 V和一15 V的正向和反向電壓，開通和關(guān)斷延時控制在1 s內(nèi)，且具有過壓和短路保護，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，與給定的基準電壓進行比較，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，當輸出大于

基準電壓時，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 保護電路

考慮到開關(guān)電源的特點和實際的電氣特性，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)計了電壓電流保護電路以及軟啟動保護等保護電路。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)榈碗娖剑煌瑫r，軟啟動腳外接電容以250 txA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。過流保護和過壓保護是在主電路中采樣輸入到保護電路中，對電源起到保護作用。保護電路如圖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，當檢測到開關(guān)
電流達到上限電流時，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，F(xiàn)B被拉低，從而保護電路的過流問題。

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。過熱保護是通過檢驗系統(tǒng)中的熱繼電器通斷來具體實現(xiàn)的，當開關(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，達到過熱保護的作用。

的顯示；以太網(wǎng)接口則是實現(xiàn)將數(shù)據(jù)遠傳調(diào)度中心功能 。該設(shè)計采用的嵌入式微處理器是以ARM7TDMI為內(nèi)核的一款16／32位RISC處理器S3C44BOX，該處理器通過提供全面的、通用的片上外設(shè)，減少了外圍的元器件配置，從而使系統(tǒng)成本大為降低。該系統(tǒng)采用杭州立宇泰公司的開發(fā)板設(shè)計，其主要結(jié)構(gòu)如圖5所示。

4 結(jié)束語

文中介紹的電力故障錄波器以DSP和ARM為核心，采用了硬件同步采樣技術(shù)及雙微處理器協(xié)同工作的方式，提高了故障錄波的精度、速度以及可靠性。與其他一些電力故障錄波器相比，該電力故障錄波器具有很高的實時性及數(shù)據(jù)測量精度、良好的擴展性及存儲能力、強大的網(wǎng)絡(luò)功能和通信能力。若以較優(yōu)的故障檢測、數(shù)據(jù)壓縮編碼等算法輔佐，將會提高該錄波器的性能。