摘要：簡要地介紹了大功率開關(guān)電源模塊的設(shè)計(jì)及一些注意事項(xiàng)。

關(guān)鍵詞：IGBT模塊；脈寬調(diào)制；單片機(jī)；均流

1引言

隨著微機(jī)在電力系統(tǒng)中的推廣應(yīng)用，相應(yīng)對直流電源也提出了更高的要求，于是高頻開關(guān)電源開始被電力系統(tǒng)所采納。目前國內(nèi)所生產(chǎn)的高頻開關(guān)電源模塊，單機(jī)功率普遍小，用于小容量直流系統(tǒng)，性能價(jià)格比絕對占優(yōu)勢，可靠性也比較高。而對于大容量直流系統(tǒng)，就必須并聯(lián)許多模塊，這樣一方面使直流系統(tǒng)的可靠性大大降低，另一方面使造價(jià)升高，在市場競爭中，便無優(yōu)勢可言了。在這種形勢下，就需要單機(jī)容量大的開關(guān)電源，本文介紹的開關(guān)電源，正是為此而設(shè)計(jì)的。 2控制電路

本電源控制電路采用的是MOTOLOLA公司生產(chǎn)的TL494芯片，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)方框圖如圖1所示。

TL494是一個(gè)固定頻率的PWM控制電路，適用于設(shè)計(jì)所有的（單端或雙端）開關(guān)電源典型電路，其主要性能如下：

1）輸入電源DC7～40V，可用不穩(wěn)壓電源作輸入電源，從而使輔助電源簡化。TL494末級(jí)兩只功率管在7～40V范圍內(nèi)工作時(shí)，最大輸出電流可達(dá)250mA。因此，其負(fù)載能力較強(qiáng)，即可按推挽方式工作，也可將兩路輸出并聯(lián)工作，小功率時(shí)可直接驅(qū)動(dòng)。 2）內(nèi)部有5V參考電壓，使用方便，參考電壓短路時(shí)，有下垂保護(hù)特性。

3）內(nèi)部有一對運(yùn)算放大器，可作反饋放大器及保護(hù)之用，控制很方便。

4）在高頻開關(guān)電源中，輸出方波必須對稱，在其它一些應(yīng)用中，又需要方波人為不對稱，即需控制方波的占空比，通過對TL494第4腳（死區(qū)時(shí)間控制端）的控制，即可調(diào)節(jié)占空比，還可作輸出軟啟動(dòng)保護(hù)用。

5）可以選擇單端，并聯(lián)及交替三種方法輸出。

對照圖1可以看出TL494芯片的腳1及腳2為運(yùn)算放大器輸入，本電路作電壓反饋，腳1為反饋輸入，腳2在腳14上通過電阻從內(nèi)部基準(zhǔn)電壓5V取分壓，作為與腳1比較的基準(zhǔn)。腳3為補(bǔ)償校正，為PWM比較器輸入，接入電阻及電容可以抑制振蕩。腳4為死區(qū)控制，加在腳4上的電壓越高，死區(qū)寬度越大。當(dāng)其接地時(shí)，死區(qū)為零，即全輸出，當(dāng)其接5V時(shí)，死區(qū)最大，無輸出脈沖。利用此特點(diǎn)，在腳4與腳14間接一電容，可達(dá)到輸出軟啟動(dòng)的目的，還可以做短

圖1TL494方框圖

路保護(hù)用。腳5及腳6為振蕩器的接地電容，電阻，本電路振蕩器振蕩頻率為50kHz。腳14為內(nèi)部參考電壓＋5V。腳15及腳16為另一運(yùn)算放大器輸入，本電路即作電流反饋用，又作電流保護(hù)用，不用時(shí)，可將腳15及腳16在與地短接。

3功率變換部分

本電路功率變換部分采用IGBT模塊，組成半橋式電路，如圖2所示。此部分是開關(guān)電源的核心，其性能的好壞直接影響整個(gè)電源的性能與可靠性。

3.1主電路

經(jīng)過三相全波整流后約560V直流電壓經(jīng)輸入濾波電容C2，C3分壓，各承受約280V電壓。當(dāng)V1的門極電壓uG1達(dá)到一定電平值時(shí)，V1導(dǎo)通，電容器C2經(jīng)過V1的漏極?源極，變壓器T的初級(jí)繞組放電，給次級(jí)傳遞能量。當(dāng)V1截止時(shí)，V2的門極電壓uG2也達(dá)到一定的電平值，使V2由截止轉(zhuǎn)為導(dǎo)通，電容器C3經(jīng)T的初級(jí)繞組及V2的漏極?源極放電，給次級(jí)傳遞能量。為了避免V1與V2同時(shí)導(dǎo)通造成直通故障損壞V1和V2，必須要保證V1和V2的門極驅(qū)動(dòng)電壓有一個(gè)共同截止的時(shí)間，稱為控制脈沖的“死區(qū)”時(shí)間，要求“死區(qū)”時(shí)間必須大于V1和V2的最長導(dǎo)通飽和延遲時(shí)間。

3.2RC緩沖電路

如圖2所示，以V1為例，當(dāng)V1截止時(shí)，電容器C4通過R4充電，當(dāng)V1導(dǎo)通時(shí)，電容器C4經(jīng)R4放電，RC緩沖電路雖然消耗了一定量的功率，但卻減輕了開關(guān)管關(guān)斷瞬間的電壓應(yīng)力。

選擇RC電路必須要保證以下兩點(diǎn)：一是在開關(guān)管截止期間，必須能使電容器充電到接近UDS電壓；二是在開關(guān)管導(dǎo)通期間，必須使電容器上的電荷經(jīng)過電阻全部放掉。

3.3門極抗干擾箝位保護(hù)電路

如圖2所示，并聯(lián)在IGBT門極與發(fā)射極之間的穩(wěn)壓管，極性相反，串聯(lián)在一起使用，其目的是把門極正向電壓限制在20V以內(nèi)，負(fù)偏壓限制在15V以內(nèi)，這樣把加在門極的電壓箝位到預(yù)定電平，從而有效地消除了干擾在驅(qū)動(dòng)電路中產(chǎn)生的尖峰電壓信號(hào)對IGBT的潛在危害。

4驅(qū)動(dòng)電路

IGBT的門極驅(qū)動(dòng)電路密切地關(guān)系到其靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性。門極電路的正偏壓UGS、負(fù)偏壓－UGS和門極電阻RG的大小，對IGBT的通態(tài)電壓，開關(guān)時(shí)間，開關(guān)損耗，承受短路能力以及dv/dt等參數(shù)均有不同程度的影響。

設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路的一些注意事項(xiàng)如下：

1）連線長度應(yīng)盡量減少與IGBT模塊各管腳的連線長度，尤其是門極引線的長度。如果實(shí)在無法減少其長度，可以用小磁環(huán)或一個(gè)小電阻與門極串聯(lián)。這兩個(gè)元件應(yīng)盡量靠近模塊門極，它們可以消除寄生震蕩。

2）精心布局器件盡量作到完全對稱，連線盡量同長度并且盡量減短加粗，盡可能用多股絞線。

3）泄放電阻在IGBT的門極與源極之間，應(yīng)加11kΩ的泄放電阻。

4）正偏電壓UGS的影響當(dāng)UGS增加時(shí)，開通時(shí)間縮短，因而開通損耗減少，UGS的增加雖然對減小通態(tài)電壓和開通損耗有利，但是UGS不能隨意增加，當(dāng)增加到一定程度后，對IGBT的負(fù)載短路能力以及dv/dt有不利影響，本電路采用UGS=15V。

5）負(fù)偏電壓－UGS的影響負(fù)偏電壓是很重要的門極驅(qū)動(dòng)條件，它直接影響IGBT的可靠運(yùn)行。過高的dv/dt會(huì)產(chǎn)生較大的位移電流，使門極?源極之間的電壓上升，并超過IGBT的門極閾值電壓，于是產(chǎn)生一個(gè)較大的漏極脈沖浪涌電流，過大的漏極浪涌電流會(huì)使IGBT發(fā)生不可控的擎住現(xiàn)象，為了避免IGBT發(fā)生這種誤觸發(fā)，可在門極加反向偏置電壓，本電路加－UGS=－12V。

6）門極電阻的影響門極電阻選用的原則為，在開關(guān)損耗不大的情況下，應(yīng)選用較大的門極電阻，但當(dāng)門極電阻增加時(shí)，IGBT的開通與關(guān)斷時(shí)間增加，進(jìn)而使每脈沖的開通能耗EON和關(guān)斷能耗EOFF也增加，所以綜合考慮本電路采用51Ω。

圖2功率變換部分電路圖

5kW高穩(wěn)定度電源模塊概述

5功率變壓器

功率變壓器是開關(guān)電源的“心臟”，它的選材、計(jì)算及繞制方法等，將關(guān)系到所設(shè)計(jì)開關(guān)電源的成敗及性能的好壞，必須給予高度重視。無論是處于主充還是浮充狀態(tài)，當(dāng)電網(wǎng)輸入電壓最低，穩(wěn)壓電源輸出滿載時(shí)，變壓器必須仍能滿足穩(wěn)壓系統(tǒng)的正常工作。

6濾波電路輸出電感的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)一個(gè)合理的輸出電感，不僅可以使開關(guān)電源的體積減小，節(jié)約原材料，使之具有市場競爭力，而且更重要的是，它既可以存儲(chǔ)能量，以便在開關(guān)功率管截止或“死區(qū)”時(shí)間內(nèi)，能夠給負(fù)載提供連續(xù)不斷的電流；又能使輸出的直流電壓更平滑，使輸出電壓紋波能夠達(dá)到比較理想的指標(biāo)。 為了使濾波效果顯著，可以增加線圈的匝數(shù)，為了減少熱效應(yīng)和趨膚效應(yīng)，線圈繞制時(shí)采用多股銅線并繞或采用紫銅帶繞制，層與層之間用0.1mm厚的高強(qiáng)度聚脂薄膜絕緣。所有繞組均要緊密繞制并做浸漆處理。7最大電流法自動(dòng)均流

本電源可以多機(jī)并聯(lián)同時(shí)運(yùn)行，并聯(lián)方式采用自動(dòng)設(shè)定主模塊和從模塊的方式，即在N個(gè)并聯(lián)的模塊中，輸出電流最大的模塊，將自動(dòng)成為主模塊，而其余的模塊則為從模塊，它們的電壓誤差依此被整定，以校正負(fù)載電流分配的不均衡，又稱為“自動(dòng)主從控制法”。具體實(shí)現(xiàn)由單片機(jī)部分來完成，如圖3所示。

在圖3中，均流母線上的電壓Ub反映的是并聯(lián)各模塊中的最大值。由于二極管的單向性，只有對電流最大（電壓最高）的模塊，二極管才導(dǎo)通，a點(diǎn)電壓方能通過它與均流母線相連。設(shè)正常情況下，各模塊分配的電流是均衡的。如果某個(gè)模塊電流突然間增大，成為N個(gè)模塊中電流最大的一個(gè)，于是其輸出電壓最高，該模塊便自動(dòng)成為主模塊，其它各模塊成為從模塊，這時(shí)候，Ub=Uimax，而各從模塊的Ui與Ub(即Uimax)比較，通過調(diào)整放大器調(diào)整基準(zhǔn)電壓，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)均流。需要說明的是，由于二極管總有正向壓降，因此，主模塊的均流會(huì)有誤差，而從模塊的均流則是較好的。

8設(shè)置保護(hù)

開關(guān)電源在工作中，尤其是大功率的，當(dāng)有異常現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，能否實(shí)現(xiàn)自身保護(hù)，將決定它的可靠性和是否具有適用性。本電源設(shè)有輸入過壓、輸入欠壓、輸出欠壓、溫度、及過流保護(hù)。各種保護(hù)均通過單片機(jī)進(jìn)行分析處理，大大提高了保護(hù)動(dòng)作速度，從而避免了采用模擬電路實(shí)現(xiàn)保護(hù)所造成的動(dòng)作速度慢的問題，電源的可靠性就自然而然地提高了。此種保護(hù)模式，很容易解決主逆變橋共態(tài)導(dǎo)通的問題。有故障時(shí)，保護(hù)動(dòng)作，電源沒有輸出，當(dāng)故障消失后，電源自動(dòng)恢復(fù)工作。

9主要技術(shù)指標(biāo)

交流輸入電壓三相380（1±20％）V50Hz不分相序

輸出直流電壓0～300V

輸出直流電流0～20A

穩(wěn)壓穩(wěn)流精度≤0.01％

效率≥95％

運(yùn)行方式100％連續(xù)

10結(jié)語

通過采用IGBT功率模塊研制的大功率開關(guān)電源，不僅電源體積減小，電路簡單，而且成本下降、性能可靠、維護(hù)方便、操作簡單。

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