多路独立供电的半桥变换器的设计

2007-02-14 13:45:43来源: 电子查询网
引言

  随着电力电子技术的发展,电源技术被广泛应用于各个行业。对电源的要求也各有不同。本文介绍了一种功率较大,多路输出(20路及以上)并且相互独立的开关电源

 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,由高频变压器隔离降压,最后整流输出直流电压。系统的主要环节为有源功率因数校正电路、DC/DC电路、功率因数校正电路、PWM控制电路和保护电路等。采用UC3854A/B控制芯片组成功率因数校正电路来提高功率因数,用新型的芯片UC3825作为控制芯片来代替SG3525,不仅外围电路简单,而且具有有容差过压限流功能,还采用了新型IR2304作为驱动芯片,动态响应快,且自带死区,防止半桥上下管直通。

1 有源功率因数校正电路

  为了提高系统的功率因数,整流环节不能采用二极管整流,采用了UC3854A/B控制芯片组成功率因数校正电路。UC3854A/BUnitrode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%。图1是由UC3854A/B控制的有源功率因数校正电路。

                     图1UC3854A/B控制的有源功率因数校正电路 

  该电路由两部分组成。UC3854A/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制。功率部分由L2,Cs,S等元器件构成Boost升压电路。开关管S选择西门康公司的SKM75GBl23D模块,其工作频率选在35 kHz。升压电感L2为2mH/20A。C5采用两个450V/470μF的电解电容并联。为了提高电路在功率较小时的效率,所设计的PFC电路在轻载时不进行功率因数校正,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,D5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。D6接到SS(软启动端),在负载轻时D6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 主电路及控制电路

2.1 主电路

  反激式电源一般用在100w以下的电路,而本电源设计最大功率达到300w,显然不适合。在功率较大的高频开关电源中,常用的主变换电路有推挽电路、半桥电路、全桥电路等。其中推挽电路用的开关器件少,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6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为主电路拓扑图。

  图2中S1、S2、C1、C2和主变压器T1构成了半桥DC/DC变换电路。MOSFET采用11NC380。电路的工作频率为80 kHz。变压器采用E55的铁氧体磁芯,无须加气隙。绕制时采用“三段式”绕法,以减小漏感。R1和R2用以保证电容分压均匀,R3、C3和R4、C4为MOS管两端的吸收电路。C5为隔直电容,用来阻断与不平衡伏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。Ct是电流互感器,作为电流控制时取样用。D3、D4采用快恢复二极管,经过L1和C6、C7平波滤波后输出OUT2给控制芯片供电,Rs、R6则是反馈电压的采样电阻。主变压器的输出OUT3为高频低压交流电。如图2所示,反馈电压和输出电压同一绕组,样,可以在负载变化时最大限度地保证输出电压的稳定。后级可接一个或多个多路输出的变压器,然后通过整流电路整流,这样既能保证每路输出都是独立的,又可以得到任意大小的电压。故可满足DSP等需要多路不同电压供电且精度较高的要求。

2.2 控制电路

  系统的控制电路采用高速双路的PWM控制器UC3825,其内部电路主要由高频振荡器、PWM比较器、限流比较器、过流比较器、基准电压源、故障锁存器、软启动电路、欠压锁定、PWM锁存器、输出驱动器等组成。它比SG3525具有更多优点:

  1)改进了振荡电路,提高了振荡频率的精度,并且具有更精确的死区控制;
  2)具有限流控制功能,且门槛电流有5%的容差;
  3)低启动电流(100MA);
  4)UC3825关断比较器是一个高速的过流比较器,它具有1.2v的门槛值,保证芯片重新启动前软启动电容完全放电,在超过门槛值时,输出为低电平状态,防止上下桥臂同时导通而引起短路。图3为主电路的控制电路。 

  前级的R808和R809与稳压管构成一个启动电路,触发UC3825开始工作后,由反馈输出OUT1自供电。PWM的调制波由R1和CT振荡产生,RT、CT一般按式(1)及式(2)选取。

  RT=3V/{(10mA)*(1-Dmax)} (1)

  CT=(1.6*Dmax)/(Rt*f) (2)

  式中:f=80kHz,为所取的频率。

  脚1(INV)、脚2(E/A)和脚3(HI)构成一误差放大器,做为电压反馈用,脚9(ILIM)为限流,脚8(SS)为软启动,脚11(0UTA)及脚14(0UTB)为输出驱动信号。从图3中可看出,UC3825功能比较全,外围电路简单,可有效减少PCB的布线与外围元器件,提高了系统的可靠性。

  2.3 驱动电路

  MOSFET的驱动可采用脉冲变压器,它具有体积小,价格低的优点,但直接驱动时,脉冲的前沿与后沿不够陡,影响MOSFET的开关速度。在此,采用了IR2304芯片,它是IR公司新推出的多功能600v高端及低端驱动集成电路,它具有以下优点。

  1)芯片体积小(DIP8),集成度高(可同时驱动同一桥臂的上、下两只开关器件)。
  2)动态响应快,通断延迟时间220/220 ns(典型值)、内部死区时间1000ns、匹配延迟时间50ns。
  3)驱动能力强,可驱动600v主电路系统,具有61 mA/130mA输出驱动能力,极驱动输入电压宽达10~20V。
  4)工作频率高,可支持100 kHz或以下的高频开关。
  5)输入输出同相设计,提供高端和低端独立控制驱动输出,可通过两个兼容3.3v、5v和15v输入逻辑的独立CMOS或LSTFL输入来控制,为设计带来了很大的灵活性。
  6)低功耗设计,坚固耐用且防噪效能高。IR2304采用高压集成电路技术,整合设计既降低成本和简化电路,又降低设计风险和节省电路板的空间,相比于其它分立式、脉冲变压器及光耦解决方案,IR2304更能节省组件数量和空间,并提高可靠性。
  7)具有电源欠压保护和关断逻辑,IR2304有两个非倒相输入及交叉传导保护功能,整合了专为驱动电机的半桥MOSFET或IGBT电路而设的保护功能。当电源电压降至4.7v以下时,欠压锁定(UVL0)功能会立即关掉两个输出,以防止直通电流及器件故障。当电源电压大于5v时则会释放输出(综合滞后一般为0.3v)。过压(HVIC)及防闭锁CMOS技术使IR2304非常坚固耐用。另外,IR2304还配备有大脉冲电流缓冲级,可将交叉传导减至最低;同时采用具有下拉功能的施密特(Sohmill)触发式输入设计,可有效隔绝噪音,以防止器件意外开通。

  如图4所示为IR2304的连线图

  可以看出,IR2304具有连线简单,外围元器件少的优点。其中VCC由主电路中OUT2自供电,LIN和HIN分别接UC3825的两个输出端,VD要采用快恢复二极管,C1为滤波电容,C2为自举电容,最好采用性能好的钽电容,R1和R2为限流电阻。

  2.4 保护电路设计

  对于DC/DC电源产品都要求在出现异常情况(如过流、过载)时,系统的保护电路工作,使变换器及时停止工作。UC3825的保护电路设计也比较简单,如图5所示 

  通过电流互感器得到的采样电流,经过转换后送到UC3825脚9(ILJIM),当电流超过预定值时,UC3825自动封锁输出脉冲,起到保护作用。

3 实验结果及波形

  图6~图9为样机的部分实验波形。

4 结语

  所制作的工程样机,已经通过性能测试。该系统采用UC3854A/B控制芯片组成功率因数校正电路,在轻载时不工作,有利于提高效率,在重载时电路自动投入工作,提高了大功率时的功率因数。主电路控制采用了新型的芯片UC3825,具有有容差过压限流功能,而且外围电路简单,稳定性好,还采用了新型的动态响应快,驱动能力强,工作频率高的IR2304作为驱动芯片,具有电源欠压保护和关断逻辑功能,与以前的电源相比,只增加了有限的成本,但系统的稳定性大大提高了,频率的精度提高了,输出电压更稳定,当负载由最轻至300W变化时,输出电压变化<1%。变压器输出既可在主变压器上采用多抽头,也可接二级变压器来得到不同电压的独立输出。

关键字:输出  电路  功率  限流

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