基于礦用變頻器使用的開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)與調(diào)試技巧

吳世均

摘? 要：敘述1140V電壓等級(jí)礦用變頻器用的開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)與調(diào)試，采用單端反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)AC220V輸入，+24V、±15V、+15V三相電源相互隔離輸出;開(kāi)關(guān)變壓器溫升要小于45℃，其它元器件溫升小于20℃;紋波電壓小于50mV。以適應(yīng)具有熱地檢測(cè)礦用變頻器用開(kāi)關(guān)電源。

關(guān)鍵詞：開(kāi)關(guān)電源;開(kāi)關(guān)變壓器;單端反激式;碳化硅MOS管;匝比;骨架;磁芯;電感量

中圖分類(lèi)號(hào)：TN86? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2019）10-0082-03

Abstract： This paper describes the design and debugging of switching power supply for 1140V voltage grade mine inverter， adopts single-ended flyback topology to realize AC220V input， +24V， ±15V， +15V three-phase power supply isolated output from each other. The temperature rise of switching transformer should be less than 45 ℃， the temperature rise of other components is less than 20 ℃ and the ripple voltage is less than 50mV， so as to adapt to the switching power supply for thermal detection of mine frequency converters.

Keywords： switching power supply; switching transformer; single-ended flyback; silicon carbide MOS tube; turn ratio; skeleton; core; inductance

引言

在礦用變頻器的電路板設(shè)計(jì)中，開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)是一個(gè)重點(diǎn)和難點(diǎn)。礦用變頻器正常運(yùn)行時(shí)，殼體內(nèi)環(huán)境溫度最高達(dá)到50℃，電路板發(fā)熱元件的溫升就必須重點(diǎn)考慮。同時(shí)在以熱地為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，電源的地線是和直流母線的負(fù)極直接相連的，因此要充分考慮隔離耐壓要求。目前，眾多的開(kāi)關(guān)電源廠商，并沒(méi)有專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)高壓隔離、低溫升的，適合礦用變頻器使用的開(kāi)關(guān)電源。

1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

表1

根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)，選擇單端反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu);電路始終工作在斷續(xù)模式;控制芯片采用UC3844;開(kāi)關(guān)頻率為40kHz;MOS管漏源電壓為900V;整流二極管最高反向電壓為200V，正向壓降為1.5V，由此可以計(jì)算變壓器相關(guān)參數(shù)。

2 變壓器設(shè)計(jì)

2.1 計(jì)算輸入總功率

2.2 選擇輸入濾波電容容量

2.3 計(jì)算整流后的最小和最大直流電壓

2.4 計(jì)算匝比

2.5 驗(yàn)算匝比，計(jì)算最大占空比

2.6 計(jì)算初級(jí)電感量

2.8 計(jì)算初級(jí)電感的有效值電流

2.9 計(jì)算次級(jí)電流有效值

首先計(jì)算變壓器的復(fù)位時(shí)間Tr，也就是變壓器次級(jí)電流降到零需要的時(shí)間，為了保證變壓器一直工作在斷續(xù)模式下，必須預(yù)留死區(qū)時(shí)間Tdt，通常Tdt=0.2×T，一個(gè)工作周期時(shí)間T=Tonmax+Tr+Tdt，可得復(fù)位時(shí)間為：

2.10 選擇合適的磁芯

2.11 計(jì)算初級(jí)線圈匝數(shù)

2.12 計(jì)算次級(jí)回路匝數(shù)

3 設(shè)計(jì)原理圖

3.1 計(jì)算各個(gè)輸出回路的電容容量

3.2 設(shè)計(jì)原理圖

如圖1所示，控制芯片采用的是UC3844，電阻R9和R16為電流采樣電阻;U2、U3以及所配置的電阻構(gòu)成了電壓采樣，用來(lái)控制占空比大小;Q1和Q2雙管并聯(lián);每一路輸出都采用了CLCπ型濾波，抑制輸出電壓的尖刺;二極管D5、電容XC6以及和它并聯(lián)的電阻構(gòu)成RCD吸收電路;R3和C5構(gòu)成RC振蕩電路，用來(lái)設(shè)置40kHz開(kāi)關(guān)頻率。

3.3 發(fā)熱元器件選型

如圖1所示：除了變壓器，其它主要發(fā)熱元器件D1～D4、V1～V3、D8;MOS管Q1、Q2。D1～D4選用工頻整流二極管，為了減少發(fā)熱量，選擇大電流、小正向電壓的二極管;V1～V3、D8必須選擇快恢復(fù)二極管，這類(lèi)二極管的正向電壓越低、反向恢復(fù)時(shí)間越短，發(fā)熱量越低。

MOS管的發(fā)熱量與導(dǎo)通電阻RDS（on）有直接關(guān)系，RDS（on）越小，發(fā)熱量越低，碳化硅MOS管最大亮點(diǎn)就是RDS（on）很小，Q1和Q2的RDS（on）=280mΩ，為了更好的降低溫升，還采用了雙管并聯(lián)形式。

4 開(kāi)關(guān)電源的調(diào)試技巧

第一步：用可調(diào)直流電源給UC3844的7腳供16V電，用示波器測(cè)量6腳發(fā)出的觸發(fā)波形，其頻率在40kHz左右。第二步：用另外一個(gè)可調(diào)直流電源給端子X(jué)5供電，調(diào)節(jié)電壓大于15V時(shí)，UC3844的6腳觸發(fā)波形消失，調(diào)節(jié)電壓小于15V時(shí)，UC3844又有觸發(fā)波形了。第三步：撤掉可調(diào)直流電源，給端子X(jué)1供AC220V電，測(cè)量輸出各個(gè)端子的電壓值。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文詳細(xì)描述了單端反激式開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)過(guò)程，該開(kāi)關(guān)電源已經(jīng)在防爆變頻器中大量使用了，驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)的正確性和可靠性?？梢宰鳛殚_(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)的參考文獻(xiàn)。

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