實(shí)用型開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)及其電壓穩(wěn)定性分析

張　煒　閆高峰

（1. 山東萬(wàn)通石油化工集團(tuán)有限公司　2. 東營(yíng)市宏遠(yuǎn)紡織有限公司）

實(shí)用型開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)及其電壓穩(wěn)定性分析

張煒1閆高峰2

（1. 山東萬(wàn)通石油化工集團(tuán)有限公司2. 東營(yíng)市宏遠(yuǎn)紡織有限公司）

本文描述了一種實(shí)用性開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，給出了基于UC2844的通用變頻器用開(kāi)關(guān)電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。借助Candence設(shè)計(jì)了開(kāi)關(guān)電源的PWM控制電路、反饋電路、采樣電路等，著重就開(kāi)關(guān)電源工作電壓范圍及電壓穩(wěn)定性試驗(yàn)分析，并驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性。

開(kāi)關(guān)電源；控制電路；電壓穩(wěn)定性

0　引言

開(kāi)關(guān)電源一般由脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制IC和MOSFET構(gòu)成。本文側(cè)重于將研究重點(diǎn)集中于通用型變頻器用開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)，從開(kāi)關(guān)電源的基本原理入手，結(jié)合以通用型變頻器的設(shè)計(jì)條件為基礎(chǔ)，借助Candece軟件設(shè)計(jì)硬件，并對(duì)其在不同負(fù)載情況下對(duì)其電壓穩(wěn)定性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析。經(jīng)驗(yàn)證，本設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)電源能達(dá)到實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合的設(shè)計(jì)要求。

開(kāi)關(guān)電源就是電路中的電力電子器件工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)的電源［1］，其采樣電路、PWM控制電路、變壓器的設(shè)計(jì)、控制芯片的選擇等成為開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。本文就從上述幾點(diǎn)出發(fā)，詳細(xì)闡述了開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)的原理及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果。由開(kāi)關(guān)電源回路提供的電源為多路輸出，為變頻器逆變器提供驅(qū)動(dòng)電壓，并為其他部分提供電源，指標(biāo)如下：輸入為322～752V；輸出為多路16V，24V，±8V，24V。

1　基于UC2844的硬件設(shè)計(jì)

UC2844是高性能固定頻率電流模式控制器。專(zhuān)為離線和直流至直流變換器應(yīng)用而設(shè)計(jì)，為設(shè)計(jì)人員提供只需最少的外部元件就能獲得成本效益高的解決方案。本文借助Cadence軟件強(qiáng)大的電路圖繪制、電路模擬仿真、圖形后處理和元器件符號(hào)制作等功能設(shè)計(jì)硬件電路。

1.1工作原理

電源接通后，當(dāng)7腳的電壓達(dá)到驅(qū)動(dòng)電壓16V后，UC2844開(kāi)始工作，通過(guò)6腳來(lái)控制MOSFET的導(dǎo)通與關(guān)斷，將輸入直流電壓變成高頻方波后輸入高頻變壓器T的一次側(cè)，再通過(guò)高頻變壓器T將電壓變成8V、16V、24V輸出，其中16V為UC2844提供電源，如此使電路循環(huán)工作。電路中引入輸入濾波電容，可濾除輸入電壓中的高頻干擾，得到較為穩(wěn)定的輸入電壓；為了消除電壓尖峰脈沖對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定工作的影響，引入了緩沖吸收電路。另外，本電路中還具有電流采樣和過(guò)流保護(hù)的功能。

1.2反激變壓器的設(shè)計(jì)

反激變壓器［2-4］一半是電感，一半是變壓器。變壓器在本設(shè)計(jì)中采用封裝形式體現(xiàn)，電路采用單端反激型電路，電流連續(xù)工作模式。本設(shè)計(jì)中開(kāi)關(guān)電源用變壓器其主要數(shù)據(jù)參數(shù)如下：

工作頻率fs=100kHz，工作周期Ts=50μs，效率η=0.9，輸入直流電壓537V±40%，即322～752V，輸出功率150W。

2　實(shí)驗(yàn)分析

2.1開(kāi)關(guān)電源電壓工作范圍的確定

根據(jù)設(shè)計(jì)初期的要求，本開(kāi)關(guān)電源應(yīng)工作于322～752V之間，并確定其工作的上下限。實(shí)驗(yàn)波形中通道1、3分別為輸出的16F、24V，通道2為輸入電壓200V。

當(dāng)輸入電壓為200V時(shí)，這里開(kāi)關(guān)電源處于工作狀態(tài)，逐漸增加輸入電壓，測(cè)試得P16F=15.8V，P24F=24.1V。測(cè)試波形如下圖所示。

圖中，可見(jiàn)當(dāng)輸入電壓達(dá)到200V時(shí)，三個(gè)通道的測(cè)試結(jié)果顯示波形較好。經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)可以驗(yàn)證本開(kāi)關(guān)電源的最低輸入電壓為138V，當(dāng)電壓升至196V時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)電源的重起：P16F=15.8V，P24F=24.1V。故而，本次設(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)電源的工作電壓范圍是Vdc=200～600V，滿(mǎn)足預(yù)定要求范圍。

圖　輸入電壓為200V時(shí)輸出波形

2.2開(kāi)關(guān)電源電壓穩(wěn)定性驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)主要是驗(yàn)證輸出電壓在輸入母線電壓為最小值和平均值兩種狀態(tài)下，觀測(cè)輸出電壓變化值和電壓值。改變輸出端負(fù)載情況，當(dāng)母線電壓為457V時(shí)，三個(gè)端口輸出電壓的變化范圍及偏差均在工程允許范圍內(nèi)，測(cè)試結(jié)果如下表所示。

經(jīng)過(guò)反復(fù)的試驗(yàn)，可以確定本次設(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)電源滿(mǎn)足設(shè)計(jì)初期的要求，并實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓紋波的控制，確定工作電壓的范圍，并實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓偏差良好的控制。

3　結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一種實(shí)用型變頻器用開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)，并介紹了開(kāi)關(guān)電源硬件電路及相關(guān)部分的設(shè)計(jì)。針對(duì)此開(kāi)關(guān)電源的工作電壓范圍和開(kāi)關(guān)電源工作穩(wěn)定性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)波形證明了該開(kāi)關(guān)電源的可行性，并能達(dá)到實(shí)際工程的要求。

表　457V下不同負(fù)載對(duì)端口電壓輸出值及電壓變化值的影響

［1］李定宣.開(kāi)關(guān)穩(wěn)定電源的設(shè)計(jì)與應(yīng)用［M］.北京：中國(guó)電力出版社.2006.

［2］陳小敏，黃聲華，萬(wàn)山明.基于UC3843 的反激式開(kāi)關(guān)電源反饋電路的設(shè)計(jì)［J］，通信電源技術(shù)，2006，23（5）：38-39.

［3］王京梅，等.高頻開(kāi)關(guān)電源變壓器的優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2002：31（4）：362-365.

［4］宋鴻齋、謝吉華，等.變頻器用多功能開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)［J］. 電力自動(dòng)化設(shè)備，2008，28（1）：105-108.

（2016-01-27）