大功率開關(guān)電源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李亮勁

摘 要：大功率開關(guān)硬開關(guān)的過程里，功率元件上有較大的電流電壓尖峰和嚴(yán)重的發(fā)熱問題，開關(guān)的損壞較大。為了設(shè)計(jì)出穩(wěn)定且結(jié)構(gòu)簡單的開關(guān)電源，文章對推挽式開關(guān)電源以及開關(guān)電源的變壓器制作法進(jìn)行了簡單的介紹。同時，簡析了控制的基本原理，開關(guān)電源的控制目標(biāo)“準(zhǔn)、穩(wěn)、快”是矛盾統(tǒng)一體，所以選擇折中利用。文章以500 W推挽式開關(guān)電源設(shè)計(jì)為例，簡析了開關(guān)電源設(shè)計(jì)步驟。

關(guān)鍵詞：大功率；開關(guān)電源；推挽式；脈寬調(diào)制

中圖分類號：TM91 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）20-0001-03

1 推挽式開關(guān)電源工作原理及結(jié)構(gòu)

1.1 500 W推挽式開關(guān)電源電路結(jié)構(gòu)

文章是以500 W推挽式開關(guān)電源的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)為例，其電路結(jié)構(gòu)圖，如圖1所示。

1.2 500 W推挽式電源工作原理

通過熱敏電阻、濾波電容和整流電路，工頻交流電的輸入會成為直流電壓，再通過推挽式的斬波電路和濾波變成為4A12V和80A5V的直流電輸出，見圖一 。500 w的開關(guān)電源的設(shè)計(jì)，兩個開關(guān)元件在推挽式DC中都為大功率場效應(yīng)管（FET）。電容是400 μF，電阻560歐15 w，二極管BYV2B一起構(gòu)成了

rcd吸收電路，而芯片CS3842產(chǎn)生的脈寬信號會控制兩個場效應(yīng)管的截止和導(dǎo)通。CS3842芯片輸出電壓不到1 V，因此對場效應(yīng)管沒有驅(qū)動作用，可以適當(dāng)采用將輸出方法的具有適當(dāng)匝數(shù)比變壓器，以此驅(qū)動FET。

到通電以后，電容100 μF50 v經(jīng)過變壓器的輔助端向CS3842提供軟電壓，推動該芯片工作。經(jīng)過了變壓器T2將脈寬信號放大，控制FET被導(dǎo)通或者介截止，使之輸出電壓。T3采集輸出的電流，反應(yīng)到芯片3管腳電流端，經(jīng)過芯片CS3842的反饋電路，和獲得的電流變化，對信號占空比做出調(diào)整，以此達(dá)到穩(wěn)定輸出的狀態(tài)。通過采集獲得的電壓轉(zhuǎn)化成電壓，芯片關(guān)斷電壓被電壓值超過的時候，芯片便停止工作，F(xiàn)ET截止，同時開關(guān)電源也停止工作。CS3842是電流控制芯片，它的功能還可以采集輸出的電壓來調(diào)節(jié)反饋，通過T4將電壓采集到脈沖調(diào)制控制電路，通過反饋到芯片2管腳的輸入端。如果輸出電壓變大，可以減小占空比丟失，隨之輸出電壓也減小。如果輸出電壓減小是，占空比丟失增大，增大輸出電壓。

2 電路參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 整流電路設(shè)計(jì)

整流濾波的電路，如圖2所示。其原理是若電壓U2正處于正半周期且其數(shù)值比電容兩端電壓Uc大的時候，D1D3二極管導(dǎo)通，電流經(jīng)過電阻RL，對電容C進(jìn)行充電。U2值達(dá)到峰值以后逐漸下降，電容又通過RL放電，其電壓也隨之下降。如果U2負(fù)半周期的變化值剛好比電容兩端電壓Uc大時，二極管D2D4被導(dǎo)通，U2第二次對電容C充電，當(dāng)電容兩端電壓達(dá)到U2的峰值時又下降，降到一定值，其二極管截止，C對負(fù)載電阻RL放電，當(dāng)?shù)揭欢ㄖ档臅r候，二極管D1D3又被導(dǎo)通，通過這樣的循環(huán)，得到其理想的波形，如圖3（a）所示。但實(shí)際過程中會受到整流電路內(nèi)阻的影響，其波形偏向圖3（b）所示。放電時間的常數(shù)T=CRL，不同的T值的相應(yīng)Uo的波形，如圖4所示。輸出電壓的平均值，如圖5所示。

加濾波電容以后，電容充電的時候才能導(dǎo)通二極管，二極管導(dǎo)通角都會比π小。因?yàn)殡娙轂V波輸出電流增大，導(dǎo)通角會減小，二極管在極短的時間里會通過一個大沖擊電流給電容充電，如圖6所示。

選定濾波電容C后，輸出電壓平均值Uo及電流平均值Io，之間的關(guān)系是輸出特性，還有其濾波特性是電流均值Io與脈動系數(shù)S的關(guān)系。電壓均值和電流均值關(guān)系的輸出特性圖，如圖7所示。

預(yù)估電路的輸入功率和損耗功率，元件損耗功率基本如下：變壓器的功率：20 W；輸入功率：625 W；控制芯片等：20 W；二極管：44 W。輸入電壓整流后，電容以兩倍頻傳遞其能量：

電壓峰值最小時候?yàn)?87×-2=262 V，電路中二極管管壓下降至2 V，最初電容是200 V，通過Ceq（V2pk-V2min）和和上述式子得出Ceq=364 μF，C=728 μF。

2.2 輸出電路設(shè)計(jì)

推挽式輸出電路結(jié)構(gòu)，如圖8所示。推挽式電路，如圖9所示。

開關(guān)S1S2通過交替導(dǎo)通，在繞組兩端進(jìn)行反相位交流電壓。當(dāng)開關(guān)S1導(dǎo)通時，VD1二極管處于通態(tài)，開關(guān)都關(guān)閉時候，兩個二極管都處于通態(tài)，各分擔(dān)一半電流電感。推挽式電流處于連續(xù)模式時候，一個開關(guān)周期中會經(jīng)過四個開關(guān)狀態(tài)。對于500 W開關(guān)電源而言，采用125服務(wù)WMOSFET BUZ64，其門檻電壓是5 A10 V，CS3942輸出電流是1 A，不能對FET BUZ64進(jìn)行驅(qū)動。推挽電路和控制電路間融入變比為5的T4變壓器，以此達(dá)到穩(wěn)定輸出的狀態(tài)。

2.3 脈沖調(diào)制控制電路

芯片CS3842內(nèi)部有PWM調(diào)制、鎖存、誤差放大器七等模塊，如圖10所示。

管腳是誤差放大器的輸出，可以作為回路補(bǔ)償。管腳是電壓/電流反饋端T4變壓器輸出電壓經(jīng)過電阻反饋，減小占空比，穩(wěn)定輸出電壓。管腳為輸輸出端，其輸出電流是1 A，也是脈寬電流，因?yàn)锽UZ64的基本電流是5 A，在兩者間增加變比是5的T2能夠驅(qū)動，才能正常工作。

2.4 變壓器設(shè)計(jì)

200 Hz的工作頻率，其鐵損和繞損的升高會不斷增大。變壓器選用PQ 4040的P材，線圈匝數(shù)比：

其中，VIN （min）為能夠調(diào)節(jié)的直流電壓。VT是FET滿載時的導(dǎo)通電壓，Dmax為占空比，VOUT為輸出電壓，Vf代表二極管正向?qū)▔航?。輔助繞組給CS3842芯片體用啟動電源，其中兩個穩(wěn)壓二極管最大鉗位電壓27 V，原邊電壓208 V。

3 結(jié) 語

推挽式開關(guān)電源體積小、轉(zhuǎn)換效率高、重量輕及控制精度較高等優(yōu)勢，可以替代線性調(diào)整電源，在向大中范圍推進(jìn)發(fā)展，在一定程度上取代了晶閘管控制整流電源。在芯片CS3842基礎(chǔ)桑設(shè)計(jì)了三路輸出的開關(guān)電源。PWM控制控制著推挽式電路中的開關(guān)管，有反饋電壓電流和穩(wěn)定輸出作用，符合預(yù)期效果。

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