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一款2KW高頻開(kāi)關(guān)電源電路的設(shè)計(jì)方法以及實(shí)現(xiàn)

鉅大LARGE  |  點(diǎn)擊量:1081次  |  2019年12月26日  

近年來(lái),隨著電子技術(shù)的發(fā)展,郵電通信、交通設(shè)施、儀器儀表、工業(yè)設(shè)施、家用電器等越來(lái)越多地應(yīng)用開(kāi)關(guān)電源,隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步,對(duì)大功率電源的需求也就越來(lái)越大。與此同時(shí)大量集成電路、超大規(guī)模集成電路等電子通信設(shè)備日益增多,要求電源的發(fā)展趨勢(shì)是小型化、輕量化。通常濾波電感、電容和變壓器的體積和重量比較大,因此主要是靠減少它們的體積來(lái)實(shí)現(xiàn)小型化、輕量化。


我們可以通過(guò)減少變壓器的繞組匝數(shù)和金減小鐵心尺寸來(lái)提高工作頻率,但在提高開(kāi)關(guān)頻率的同時(shí),開(kāi)關(guān)損耗會(huì)隨之增加,電路效率會(huì)嚴(yán)重下降。針對(duì)這些問(wèn)題出現(xiàn)了軟開(kāi)關(guān)技術(shù),它利用以諧振為主的輔助換流手段,解決了電路中的開(kāi)關(guān)損耗和開(kāi)關(guān)噪聲問(wèn)題,使開(kāi)關(guān)電源能高頻高效地運(yùn)行,從20世紀(jì)70年代以來(lái)國(guó)內(nèi)外就開(kāi)始不斷研究高頻軟開(kāi)關(guān)技術(shù),目前已比較成熟,下面以2KW的電源為例進(jìn)行設(shè)計(jì)。


設(shè)計(jì)內(nèi)容和方法


1、主電路型式的選擇


變換電路的型式主要根據(jù)負(fù)載要求和給定電源電壓等技術(shù)條件進(jìn)行選擇。在幾種常用的變換電路中,因?yàn)榘霕?、全橋變換電路功率開(kāi)關(guān)管承受的電壓比推挽變換電路低一倍,由于市電電壓較高,所以不選推挽變換電路。半橋變換電路與全橋變換電路在輸出同樣功率時(shí),半橋變換電路的功率開(kāi)關(guān)管承受二倍的工作電流,不易選管,輸出功率較全橋小,所以采用全橋變換電路。


傳統(tǒng)的全橋變換電路開(kāi)關(guān)元件在電壓很高或電流很大的條件下,在門(mén)極的控制下開(kāi)通或關(guān)斷,開(kāi)關(guān)過(guò)程中電壓、電流均不為零,出現(xiàn)重疊,導(dǎo)致了開(kāi)關(guān)損耗。開(kāi)關(guān)損耗隨開(kāi)關(guān)頻率增加而急劇上升,使電路效率下降,阻礙了開(kāi)關(guān)頻率的提高。在移相控制技術(shù)的基礎(chǔ)上,利用功率管的輸出電容和輸出變壓器的漏電感作為諧振元件,使全橋變換器四個(gè)開(kāi)關(guān)管依次在零電壓下導(dǎo)通,實(shí)現(xiàn)恒頻軟開(kāi)關(guān)。由于減少了開(kāi)關(guān)過(guò)程損耗,變換效率可達(dá)80%-90%,并且不會(huì)發(fā)生開(kāi)關(guān)應(yīng)力過(guò)大。所以選用移相控制全橋型零電壓開(kāi)關(guān)脈寬調(diào)制(PSCFBZVS-PWM)變換電路。


移相控制全橋變換電路是目前應(yīng)用最為廣泛的軟開(kāi)關(guān)電路之一,它的特點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單,與傳統(tǒng)的硬開(kāi)關(guān)電路相比,并沒(méi)有增加輔助開(kāi)關(guān)等元件。原理如圖1所示,主要由四個(gè)相同的功率管和一個(gè)高頻變壓器壓器組成。E為輸入直流電壓,T1~T4為開(kāi)關(guān)管,D1~D4為體內(nèi)二極管,C1~C4為開(kāi)關(guān)的輸出電容。以第一個(gè)橋臂為例介紹,利用變壓器漏感和功率輸出電容C1諧振,漏感儲(chǔ)能向電容C1釋放過(guò)程中,使電容上的電壓逐步下降到零,體內(nèi)二極管D1開(kāi)通,創(chuàng)造了T1的ZVS條件。


圖1移相控制全橋變換電路原理圖


2、控制方式


控制方式是指變換器控制電路通過(guò)何種途徑控制主電路實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制目的,達(dá)到自動(dòng)穩(wěn)壓或穩(wěn)流的要求。傳統(tǒng)的PWM型電子開(kāi)關(guān)開(kāi)通和關(guān)斷開(kāi)關(guān)上同時(shí)存在電壓、電流,損耗比較大,零電壓開(kāi)關(guān)-脈寬調(diào)制變換器(ZVS-PWM)是電子開(kāi)關(guān)在兩端電壓為零時(shí)導(dǎo)通電流為零時(shí)關(guān)斷,開(kāi)通、關(guān)斷損耗理想值為零。在此選用典型的UC3875構(gòu)成的移相控制全橋零電壓開(kāi)關(guān)-脈寬調(diào)制變換電路。


2.1、UC3875控制芯片


UC3875是美國(guó)UNITRODE公司針對(duì)移相控制方案推出的專(zhuān)用芯片。UC3875可對(duì)全橋開(kāi)關(guān)的相位進(jìn)行相位移動(dòng),實(shí)現(xiàn)定頻脈寬調(diào)制控制。UC3875其外型有20引腳封裝和28引腳封裝,在此以20引腳為例介紹一下該器件。


2.1.1、內(nèi)部結(jié)構(gòu)方框圖和管腳功能


圖2UC3875內(nèi)部結(jié)構(gòu)方框圖


內(nèi)部結(jié)構(gòu)方框圖如下圖所示:管腳功能如下:1腳(Vref),基準(zhǔn)電壓;2腳(E/AOUT),誤差放大器的反相輸出;3腳(E/A-)誤差放大器的反相輸入;4腳(E/A+)誤差放大器的同相輸入;5腳(C/S+)電流檢測(cè);6腳(SOFRSTART)軟起動(dòng);7腳(DELAYSETC/D)輸出延遲控制;8腳(OUTD)輸出D;9腳(OUTC)輸出C;10腳(Vcc)電源電壓;11腳(Vin)芯片供電電源;12腳(PWRGND)電源地;13腳(OUTB)輸出B;14腳(OUTA)輸出A;15腳(DELAYSETA/B)輸出延遲控制;16腳(FREQSET)頻率設(shè)置端;17腳(CLOCK/SYNC)時(shí)鐘/同步;18腳(SLOPE)陡度;19腳(斜波)20腳(信號(hào)地)。


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