大功率高频直流开关电源的设计怎么写

本实用新型是一种大功率自动高频高压恒流直流电液简知源，它主要由整流滤波，高频逆变，高压输出及控制部分组成，特别是：

a．所述高频逆变部分是采用多个最新的大功率电力电子器件IMOSFEET分布在散热器中并配以高频逆变电路组成；

b．所述高压输出部分是由若干层线包叠加而成，外接高压输出棒，每层线包接装有两组整流桥；本实用闹消新型咐亏解决了现有逆变式高压恒流电源功率小，适应范围规格偏低的问题，其动态特性好，适应电场范围宽，系统功率大大提高，主要应用于高压静电除尘器配套的高压发生源，广泛应用于冶金、化工发电、建材部门。

你渣备这个电源功率有拿肆点大，而且电流要可调节。已经比较专业了。估计在学校的学生很难完成，主要是高频变压器的设计。估计如敏毁你这个论文现成的难找。我设计过，没有这么大功率，电流也不可调节。要科技调节，我想到用单片机来控制结合运放电路和比较器来完成

1 引言

随着电子技术的高速发展, 电子设备的种类与日

俱增。任何电子设备都离不开可靠的供电电源, 对电源

供电质量的要求也越来越高, 而开关电源在效率、重

量、体积等方面相对于传统的晶体管线性电源具有显

著优势。正是由于开关电源的这些特点, 它在新兴的电

子设备中得到广泛应用, 已逐渐取代了连续控制式的

线性电源。

图1 功率主电路原理图

2 功率主电路

本电源模块采用半桥式功率逆变电路。如图1 所

示, 三相交流电经EM I 滤波器滤波, 大大减少了交流

电源输入的电磁干扰, 同时防止开关电源产生的谐波

串扰到输入电源端。再经过桥式整流电路、滤波电路变

成直流电压加在P、N 两点间。P、N 之间接入一个小容

量、高耐压的无感电容, 起到高频滤波的作用。半桥式

功率变换电路与全桥式功率变换电路类似, 只是其中

两个功率开关器件改由两个容量相等的电容C1 和C2

代替。在实际应用中为了提高电容的容量以及耐压程

度, C1 和C2 往往采用由多个等值电容并联组成的电容

组。C1、C2 的容量选值应尽可能大, 以减小输出电压的

纹波系数和低频振荡。由于对体积和重量的限制, C1

和C2 的值不可能无限大, 为使输出电压的纹波达到规

定的要求, 该电容值有一个计算公式[3 ] , 即:

整流电路半波整流全桥整流

滤波电容段毁中C

IL

2 3 f gVU

g

V L

VM

IL

4 3 f gVU

g

V L

VM

22 《电气开关》(2008. No. 1)

式中, IL 为输出负载电流, V L 为输出负载电压,

V M 为输入交流电压幅值, f 为输入交流电频率, VU

为输出的纹波电压值。

这是一个理论上的计算公式, 得到的满足要求的

电容计算值比较大, 实际取的电容应尽量大一些, 由于

输出端电压较小, 也可以在二次整流滤波时加大电容,

这样折算到该公式的电容值也不小。C1 和C2 在这里实

现了静态时分压, 使V A= V in

ö 2

。

当

V

T

1

导

通

、V

T

2

截

止

时, 输入电流方向为图中虚线方向, 向C2 充电, 同时C1

通过V T1 放电; 当V T 2 导通、V T 1 截止时, 输入电流方

向为图中实线方向, 向C1 充电, 同时C2 通过V T 2 放电。

当V T1 导通、V T 2 截止时,V T 2 两端承受的电压为输

入直流电压V in。IGBT 的集- 射极间并接RC 吸收网

络, 降低开关管的开关应力, 减小IGBT 关断产生的尖

峰电压; 并联二极管实现续流的作用。二次整流采用单

相桥式整流电路, 通过后续的LC 滤波电路, 消除高频

纹波, 减小输出直流电压的低频振荡。LC 滤波电路中

的电容由多个高耐压、大容量的电容并联组成, 以提高

电源的可靠性, 使输出直流电压更加平稳。

3 PWM 集成芯片SG3525 的功能特点[2 ]

SG3525 是一款功能齐全、通用性强的单片集成

PWM 芯片。它采用恒频脉宽调制控制方案, 适合于各

种余衡开关电源、斩波器的控制。其主要功能包括基准电压

产生电路、振荡器、误差放大器、PWM 比较器、欠压锁

定电路、软启动控制电路、推拉输出形式。SG3525 的

基本外围电路接线图如图2 所示。该芯片与其它同类

型的芯片相比具有许多突出的特点。

图2 SG3525 的基本外围接线图

(1) 频率可调, 一般通过改变CT 和R T (见图2) 的

值来调节PWM 波的输出频率, 其频率的计算公式为:

f =

1

Cr (0. 67R T+ 1. 3R D )

(2) 死区时间可调, 通过握山调节R D 即可改变死区时

间的大小, 防止逆变桥的上下桥臂直通。

(3) 具有PWM 脉冲信号封锁功能, 当10 脚电压高

于2. 5V 时, 可及时封锁脉冲输出, 防止出现过压、过

流、过热故障时对电路产生危害。

(4) 芯片内振荡器工作频率为100Hz～ 400kHz。设

有引脚3 为同步端, 为多个SG3525 联用提供方便。

(5) 具有软启动电路, 比较器的反相输入端即软启

动控制端芯片的引脚8, 可外接软启动电容C。该电容

器内部的基准电压V ref由恒流源供电, 达到2. 5V 的时

间t= (2. 5V ö50LA )C, 占空比由小到大(50% ) 变化。

(6) 内置PWM (脉宽调制) 锁存器将比较器送来

的置位信号锁存, 并将误差放大器上的噪声、振铃及系

统所有的跳动和振荡信号消除。只有在下一个时钟周

期才能重新置位, 系统的可靠性高。

4 SG3525 的应用电路及工作原理

利用SG3525 建立的大功率直流开关电源控制电

路如图3 所示, 下面主要介绍调压和限流模块。

图3 SG3525 外围控制电路

如图3, 电压反馈电路通过光电耦合器实现了强电

输出部分与弱电控制部分的隔离。光电耦合器采用的

是Hp 4504, 当输入端电流在0～ 4mA 之间的时候, 输

入与输出之间的电流传递比呈线性关系, 设计的时候

选择合适的限流电阻, 控制输入端电流在0～ 3mA 之

间变化。当输出电压U out升高时, 光电耦合器的输出端

发射极电流I e 呈线性增大, 使发射极电压V e 增大, 通

过C2、C3、R 4、R 5 的滤波稳压后输入到引脚1 的V 1 也随

之增大。当V 1 增大时, 经误差放大9 脚电压下降, 比较

器输出的脉冲宽度变宽, 11 和14 脚输出的PWM 脉冲

宽度反而变窄, 从而使输出电压U out降低; 反之, 当U out

下降使1 脚电压减小, 9 脚电压升高, 11 和14 脚输出的

PWM 脉冲宽度变宽。总之, 1 脚电压V 1 的增大与减小

《电气开关》(2008. No. 1) 23

反映了输出电压U out的上升与下降, 最终都表现在11、

14 脚输出PWM 脉冲的宽窄变化上, 以实现电路的自

动稳压调节。

利用光耦电流传输比的线性段, 可以做到输入输

出的线性变化, 用在反馈电路当中, 不仅降低了成本,

而且使输入与输出隔离, 同时在稳压效果上也能与电

压传感器相媲美, 在实际应用当中, 不失为一种可取的

方法。

通过输出端电流传感器得到的电流采样信号V i

与给定的限流基准电压U refi作比较, 外接负载变化使

输出电流U out变化时,V i 也会相应的改变。当Iout增大使

V i 大于V refi时, 运算放大器L 1A 的输出端V b 为低电

平。此时,L 2A 的输出端V 2 将被直接拉低为低电平, 2

脚相当于接地, 输出端11 和14 脚无脉冲输出, 开关电

源出现“打嗝”现象, 起到了限流作用。与此同时, 输出

电流Iout减小使得V 2 再次被拉高, 11 和14 脚恢复脉冲

输出, 开关电源正常工作, 以此达到输出电流的动态平

衡过程。

图4 赛米控SKYPER 32PRO 驱动模块

5 IGBT 的驱动电路

IGBT 的触发和关断要求给其栅极和发射极之间

加上正向和反向电压, 并且需要一定的动态驱动功率,

才能保证IGBT 的及时触发和关断。

本电源的IGBT 驱动采用赛米控(Sem ik ron )

SKYPER32PRO 驱动模块。该控制核是一个半桥式驱

动模块, 集驱动、内部隔离、电气保护于一体。与同类型

的产品相比, SKYPER32PRO 具有许多特点。

(1) 采用具有双向传输功能的脉冲变压器, 通过这

种方法在原边与副边之间传输驱动信号和状态信号,

并将能量传递到副边。

(2) 该组件设计为即插即用, 使用方便, 并且已经

进行了全面的电测试和温度测试。

(3) 采用单电源供电模式, 同时对驱动桥臂的双边

供电。

(4) 具有短脉冲抑制功能, 能自动修复由SG3525

送出的双路PWM 波, 使波形更加平稳。

(5) 具有VCE 监测、欠压监测、欠压复位和死区互

锁功能等。

6 样机研制

主要技术指标:

输入电压: 三相AC380V ±5%

输出电压:DC220V ±2%

输出电流: 50A

额定功率: 11kW

所得试验样机额定负载时的输出波形如图5 (a) 所

示。由图5 (a) 实际读数可知, 输出电压从0V 上升到

220V 的响应时间为1s 左右, 电源系统具有较快的响

应速度。同时, 由图5 (b) 中的电压波形局部放大图可

见, 输出电压为220V 时, 电压波动在2V 左右, 其最大

电压波动小于1%。

图 5

7 结论

利用SG3525 和SKYPER32PRO 的强大功能设计

了一台11kW、220V 的直流开关电源。本电源设计简

单, 调试方便, 所需元器件较少, 体积小, 成本低。负载

在全范围内变化时, 本电源均能够保持良好的输出性

能。试验数据表明指标满足设计要求, 输出纹波系数控

制在小于1% 的范围内。

参考文献

[ 1 ] 周志敏, 纪爱华. IGBT 和IPM 及其应用电路[M ]. 北京: 人民邮

电出版社, 2006.

[ 2 ] 王英剑, 常敏慧. 新型开关电源实用技术[M ]. 北京: 电子工业

出版社, 1999.

[3 ] 张古松, 开关电源原理与设计[M ]. 北京: 电子工业出版社,

2002.

[ 4 ] 方大千, 鲍俏伟. 实用电子控制电路[M ]. 北京: 国防工业出版

社, 2002.

收稿日期: 2008- 01- 03

作者简介: 邓国栋(1983- ) , 硕士研究生, 主要从事电能变换与控制理论方面的研

究工作.