恒流源DC-DC脈沖電源的設計

王 皓，吳衛民

（上海海事大學，上海市 200135）

引言

隨著電力電子技術的發展，脈沖電源的控制方法越來越多，從早期的電壓閉環控制方法[1]，到現在的DSP數字控制方法[2]。傳統的電壓閉環控制方法電路簡單，容易實現，但是響應速度和穩定性不足；新型的DSP數字控制方式，在穩定性和控制精度方面有很大的優勢，而硬件實現相對復雜。

本文針對電解石墨的工業需要，設計一種基于SG3525恒流源控制[3]的DC-DC脈沖電源。此電源電路結構簡單，可靠性高，適用于電解石墨的惡劣工況。利用電流控制型PWM控制器SG3525芯片，實現了脈沖電源的恒流源控制方案。該控制方案設計簡單，并且通過SG3525隔離變壓器驅動電路，提高了系統的抗干擾能力。此簡化的控制方案使得計算機遠程控制變得更加易行、可靠，適于工業應用。本電源的基本設計要求為：輸入為220 V工頻交流電，負載為阻性負載，輸出電壓為50 kHz的脈沖電流，電壓幅值在4～6 V變化，輸出電流有效值保持恒定控制在30 A。

本文首先分析電路的基本原理，然后進行電路仿真建模，最后通過實驗驗證，證明設計方案可靠有效。

1 主電路原理

1.1 電路原理分析

1.1.1 主電路原理

電路基本原理如圖1所示。由以下幾部分組成：工頻交流輸入、EMC電路、全橋整流、半橋逆變電路和輸出半橋整流電路。

圖1 恒流源DC-DC脈沖電源主電路原理圖

其工作原理分析如下：交流輸入端經過前級的EMI、整流橋，形成恒定的直流源Vdc。Vdc和半橋電路、整流電路在一個開關周期的工作狀態可以分成三個階段。

狀態1：當Q1管開通，Q2管關斷的時候，Q1—變壓器原邊—C2形成回路，半橋電路的輸入電壓為Vdc/2。電壓通過變壓器傳遞到副邊后，D1導通，通過電阻負載，直接輸出脈沖信號。等效電路如圖2。

圖2 Q1開通、Q2關斷時的等效電路

狀態2：當Q2管開通，Q1管關斷的時候，C2—變壓器原邊—Q1形成回路，半橋電路的輸入電壓為Vdc/2。電壓通過變壓器傳遞到副邊后，D2導通，通過電阻負載，直接輸出脈沖信號。等效電路如圖3。

圖3 Q2開通、Q1關斷時的等效電路

狀態3：當Q1管和Q2管同時關斷的時候，直流側Vdc的電壓無法傳遞到變壓器副邊，故此時，輸出電壓為0。

從以上分析可以看出，在一個開關周期內，電路有3個狀態，適當的調整每個狀態的發生時間，既可以得到需要的脈沖輸出信號。

1.1.2 恒流源的實現

本電路按照設計的需要，采用恒流源控制。在實現恒流源控制的過程中，有一個問題是需要仔細考慮的：如何將輸出的脈動信號采樣，通過適當的方法轉換成有效的反饋信號。這是實現恒流源控制的關鍵因素。

在實際電路中，電流采樣的實質是成比例的縮小電壓信號。在需采樣的電流線路上，串接一個合適大小的采樣電阻，將采樣電阻的端電壓作為反饋量，由于通過電阻的電壓和電流的線性關系，選取合適的比例關系，就可以將采樣電阻上的電壓信號，看做是所需的電流反饋信號。

在具體實現的過程中需要注意，輸出的脈沖電流有效值為30 A，電壓為4～6 V范圍變化，負載阻值在0.2 Ω左右，為了保證采樣電阻不對輸出產生干擾，需要把采樣電阻大小控制在負載大小的1%范圍內。這里取2.5 mΩ，則可以忽略采樣電阻對輸出電流的影響。如此得到的采樣電壓信號為幾十毫安的數量級。采樣得到的信號先經過一級RC濾波器，進行高頻濾波，最后再通過放大電路進行信號放大。

由于本電路將使用SG3525為控制芯片，其基準輸出電壓為5.1 V，故需要將反饋信號放大到相同的數量級，為了保證放大器工作在線性放大區，本電路使用了兩級運算放大電路，進行100倍的放大，以得到有效的反饋信號。最后使用PI調節器作為系統的控制器，結合SG3525芯片產生控制信號，構成了一個有一定抗干擾能力的電流閉環控制電路，實現了恒流源控制。

圖4 電流采樣電路

1.2 電路建模

根據前面的原理分析，對圖1所示的主電路進行小信號建模[4]。為了簡化建模過程，忽略EMI和整流橋部分，并將半橋電路的輸入電壓記做Vdc。建模框圖如圖5所示。

圖5 閉環系統框圖

圖中Gid(s)是主電路的傳遞函數，Gm(s)是調制器傳遞函數，K為采樣比例，H(s)為低通濾波器，Gc(s)是補償網絡。

電路三個狀態下的狀態方程：

設變壓器為理想變壓V原：V副=n:1。

狀態一 Q1開通，如圖2所示：

狀態二Q2開通，如圖3所示：

狀態三 Q1，Q2都關閉：

經過小信號分析可得到圖1所示的主電路傳遞函數Gid(s)如下：

開環傳遞函數Go(s)為：

選擇PI調節器為控制器，其傳遞函數為：

調制器的傳遞函數為：GC(s)=1/Vm，Vm為載波峰值。 得到 G0（s）的表達式：

RC低通濾波器的傳遞函數如下：

采樣環節的比例系數為K，這樣可以得到整個閉環系統的傳遞函數：

2 系統仿真

針對式 （8）所示的傳遞函數，使用matlab的sisotool工具箱，經過分析可得到控制回路的參數設置。仿真參數選擇如下：輸入Vin=220 V/50 Hz。開關頻率為fs=25 kHz，輸出負載R=0.2Ω，線路電感L=0.1 μH。PI參數設置：K=100,Ts=0.001。RC 濾波器參數設置：R=300 kΩ，C=0.001 μF。 轉折頻率 fr=500 Hz。放大器兩級放大倍數為100倍。

圖6 濾波處理后反饋電流

圖6 為濾波放大后的反饋電流波形。比較采樣信號和反饋信號波形可以看出，通過仿真設計的濾波和放大環節，使的反饋信號變為低頻的直流信號。這樣就將脈沖信號轉化成了有效的反饋信號。

圖7 不考慮線路電感的輸出電壓

圖7 為阻性負載R=0.2 Ω上的輸出電壓波形，在沒有考慮線路電感的情況下，可以看出輸出波形為較理想的脈沖波形，頻率為開關頻率的2倍，即50 kHz。

圖8 考慮線路電感的輸出電壓

結合時間工況，在仿真中增大輸出電路電感，設為L=0.3 μH，電流由于線路電感的影響，輸出電壓產生了類似三角波的波形，如圖8所示。

3 SG3525控制芯片的應用

本電路的控制部分使用電流控制型PWM控制器SG3525控制芯片[5]來實現。

在實際電路設計中，為了保證系統的安全性，使用SG3525引腳10的關斷功能對系統進行過壓保護。采樣得到的電壓信號，經過濾波處理后，與電壓上限值進行比較，如果大于門限值，則10引腳有效，SG3525停止工作。

本電源設計考慮到現場實際用電環境的復雜性，為了保證系統的抗干擾性，使用了隔離變壓器驅動的方式。SG3525通過隔離變壓器驅動開關管的原理如圖9將變壓器一次繞組的兩端分別直接接到SG3525的兩個輸出端上，則在死區時間內可以實現變壓器的自動復位，保證電路的正常運行。

圖9 隔離變壓器驅動原理圖

除此之外，SG3525可以直接輸出兩路相互隔離的驅動信號，而無需再增加輔助電路進行驅動信號隔離，即一塊芯片既可以驅動半橋電路，這樣大大減少了控制電路設計的復雜性，提高了抗干擾能力，增加了系統的穩定性，降低了成本。

4 實驗結果分析

根據以上仿真分析，搭建了一個實物樣機，其主要參數為：實驗電路輸入電源為220 V/50 Hz；一個開關管的開關頻率為fs=25 kHz，輸出脈沖電壓頻率為50 kHz；變壓器初、次級匝數比為N=25:2；額定負載電阻為R=0.2 Ω；額定輸出電壓有效值為4～6 V，電流為30 A。

圖10 和圖11是使用日本橫河DL1640數字示波器測得的電阻負載兩端的電壓波形。

圖10 所示為當脈沖電源的負載線路較短，即線路電感影響較小時的輸出電壓波形。由圖中可以讀出，脈沖的周期為20 μs，即周期達到50 kHz。脈沖幅值約為12 V，達到設計要求。

圖11 所示的是增加線路的長度（10 m），即增加線路電感后，輸出電壓的波形。由于電路在電感的作用下不能突變，所以得到的負載兩端的電壓波形近似為三角波。由圖中可以讀出，脈沖周期和幅值均符合設計要求。

圖10 輸出電壓（低線路電感）

圖11 輸出電壓（高線路電感）

5 結論

本文設計了基于SG3525的恒流源DC/DC脈沖電源。該方案的特點在于：（1）由于采用了SG3525作為控制芯片，實現了恒流源控制設計。（2）采用了隔離變壓器的驅動電路，提高了系統的可靠性，降低了成本。最后為了驗證該方案的可行性和實用性，制作了一臺樣機。

[1]戴育航，錢照明.IGBT脈沖電源系統的設計與研究[J].電力電子技術，1998，（4）：67-71.

[2]王樹東，馮亞玲，鄒應煒，吳蕾.基于DSP的高能脈沖電源設計[J].電力電子技術，2009，43(6)：73-75.

[3]邱瑞昌，彭少賢.新型直流恒流恒壓電源設計方案[J].電源技術，2003，（6）：55-56.

[4]徐德鴻.電力電子系統建模及控制[M].北京:機械工業出版社，2005.

[5]常承志，李勝芳，侯興哲，付志紅.基于SG3525的脈沖跨周期調制 DC/DC 變換器[J].電力電子技術，2010，44（8）：22-23.