高頻開關電源教學實驗平臺的設計

丘東元,段振濤,張 波,王學梅,肖文勛

(華南理工大學 電力學院,廣東 廣州 510640)

開關電源是一種常用的電力電子產品,具有效率高、體積小、重量輕等優點[1-3],本文針對實驗教學的特點,設計并制作了一套基于雙管單端正激變換器的高頻開關電源教學實驗平臺,用于開關電源教學實驗。該平臺一方面是對“電力電子技術”課程實驗的補充,有利于學生全面了解和掌握開關電源的構成和工作原理;另一方面為對電源設計感興趣的學生可以參照實驗平臺,獨立完成一個開關電源產品的設計與制作,加強本科生應用創新能力的培養。

1 開關電源實驗平臺的設計

1.1 主電路拓撲的選擇

根據開關管的數量,開關電源的拓撲可以分為以下幾種類型:單管類有正激式變換器和反激式變換器;雙管類有雙管正激變換器、雙管反激變換器、推挽變換器和半橋變換器;四管類只有全橋變換器[4,5]。其中,反激式變換器的電路結構簡單,元器件數目較少,成本低廉,廣泛應用于高電壓、小功率場合(電壓不大于5000V,功率小于15W);而正激式變換器的控制簡單,變壓器利用率高于反激方式,廣泛應用于直流輸入電壓范圍為60～200V、輸出功率范圍為150～200W的場合;推挽式變換器通常存在變壓器磁通不平衡問題,且輸出功率和輸入電壓范圍較窄,因此不會直接用作由電網供電的變換器;半橋式電路的變壓器利用率較高,且具有抗不平衡能力,晶體管耐壓要求較低,最大輸出功率約為400～500W;全橋型電路施加于變壓器及晶體管上的電壓與輸入直流電壓相等,變壓器的利用率較高,適合大功率場合使用。

教學實驗電源一般采用AC220V市電供電,市電經整流后直流電壓約為311V,其所用負載通常為200W以下的中小功率負載,如電阻和直流電機等[6]。結合教學實驗的實際需求,本文設計的開關電源實驗平臺選擇正激式變換器作為基本拓撲。

1.2 電路的工作原理

雙管單端正激變換器的原理圖如圖1所示,其特點是使用兩個開關管,且兩個開關管同時導通和關斷。當兩個開關管同時導通時,輸出端整流二極管導通,變壓器向負載傳輸電能;當兩個開關管同時關斷時,輸出端整流二極管關斷,續流二極管導通向負載供電,同時變壓器初級續流二極管導通,從而將變壓器儲能回饋到輸入端直流母線。由于初級續流二極管的箝位作用,每個開關管僅承受一倍直流輸入電壓,僅為單管單端正激變換器開關管的一半,且關斷時不會出現漏感尖峰。因此,雙管單端正激變換電路有效地解決了單管單端正激變換器中功率開關管電壓應力較高的問題,在應用于輸入直流電壓為311V的場合時,開關管的選型將會容易很多,成本也會更低。

雙管變換器如圖1所示。工頻交流220V市電經整流橋和濾波電容Cin得到較為平滑的高壓直流電,且濾波電容Cin同時吸收了本機產生的雜波以避免其污染公共電網。開關管S1和S2組成的逆變器將高壓直流電轉換為高頻脈沖,經高頻變壓器T1進行降壓,最后通過輸出整流濾波環節得到平滑的直流電壓輸出[7]。電感L和電容Co構成輸出濾波環節,保證輸出電壓紋波滿足設計要求。具體采用如下的工作過程。

1)在t0時刻同時開通S1和S2,變壓器原邊電壓up升至輸出直流電壓Uin,初級電流ip流經S1、W1和S2,并開始線性上升,續流管D1和D2截止。次級整流管D3導通,續流管D4截止,原邊給負載供電。

圖1 雙管單端正激變換器

2)在 t1時刻S1和S2同時關斷,由于變壓器原邊繞組線圈上的電流不能突變,原邊繞組上產生的感應電動勢使得up迅速下降,此時續流管D1和D2導通,將 up幅值箝位于Uin,ip流經 D1、W1、D2將變壓器儲能回饋給輸入端[8],且ip開始線性下降。次級整流管D3截止,續流管D4導通續流給負載供電。

3)在t2時刻up的幅值從Uin開始線性減小,ip線性下降的速率減緩,仍流經 D1、W1、D2向輸入端回饋電能,次級狀態不變。

4)在t3時刻ip線性下降到0,up的幅值繼續線性減小但是速率變慢,直至up的幅值下降到0。次級整流管D3仍然截止,續流管D4繼續導通續流給負載供電。

5)在t4時刻S1和S2同時開通,下一周期開始。

1.3 控制電路和驅動電路的設計

美國Unitrode公司生產的UC3842是一款電流型PWM集成控制IC,其誤差放大器E/A補償電路簡化,頻響特性好,穩定幅度大,過流限制特性好,過壓保護和欠壓鎖定功能完善。本文選擇UC3842作為控制IC,其外部電路設計如圖2所示。其中C11和R15組成UC3842內部誤差放大器的RC補償網絡;R20和R21構成分壓電路,獲取合適的反饋電壓送到誤差放大器反相輸入端;變壓器 T3,二極管 D8、D9,電阻 R11、R12、R13和電容 C10共同構成電流反饋環節,R14為斜坡補償電阻;電阻RT和電容CT則共同決定了UC3842內部振蕩器的振蕩頻率。

圖2 控制電路原理圖

由于UC3842提供的PWM脈沖功率很小,不足以直接驅動開關管的導通和關斷。因此本文設計的驅動電路采用推挽式加變壓器隔離的組合,如圖3所示。推挽式結構可以將輔助電源提供的直流12V轉化為與UC3842輸出的PWM脈沖同頻率的脈沖波形。由于本設計采用的開關管IRF840的開啟電壓為14V左右,故設計了隔離變壓器T2,其有兩個相同的次級繞組,通過選擇適當的變壓器變比,即可產生兩路彼此隔離的驅動信號,用以驅動上下兩只開關管。

圖3 驅動電路原理圖

1.4 測試點的設置

綜上所述,本文所設計的高頻開關電源教學實驗平臺的電路圖如圖4所示。為了在實驗中能夠方便地測量所需的波形,充分理解和掌握雙管單端正激式變換器的工作原理,本設計在硬件電路中設置了多個測試點,大大提高了該教學實驗平臺的實用性。

圖4 高頻開關電源教學實驗平臺的電路圖

通過這些測試點,可以方便地測得變換器的整流輸入電壓波形uin(測試點A&G)、開關管的驅動波形uGS(測試點B&G)、高頻變壓器初次級電壓波形up和us(測試點C&D和E&F)、輸出電壓波形uo(測試點H&G')以及控制電路和驅動電路中各個關鍵點的電壓波形,從而使學生直觀地掌握電源的工作過程和運行狀況。

2 實驗結果分析

根據以上設計方案,筆者成功制作了一套基于雙管單端正激變換器的高頻開關電源教學實驗平臺,該電源的工作頻率為200kHz,額定輸出電壓12V,最大輸出電流4A。正常運行時,通過預留的測試點可以很方便地測得各關鍵點的波形,見圖5。

圖5 測試點電壓波形

圖5(a)為交流電源經整流濾波之后的電壓(uin)波形(測試點A&G)。由圖可知在額定負載狀態下該電壓波動很小,十分穩定,從而確保后續環節的安全運行,提高電源的整體性能。圖5(b)和圖5(c)分別為變壓器T1的初、次級端電壓(up、us)波形。可見其與理論分析的波形基本相符。當開關管S1和S2都開通時,變壓器T1承受正向壓降,電能經由變壓器傳輸到輸出級,給負載供電;當開關管S1和S2都關斷時,變壓器T1承受反向壓降,次級整流二極管D5關斷,續流二極管D6導通續流,給負載供電,同時變壓器初級續流二極管D3、D4導通續流,將變壓器線圈中的電能回饋到直流側,可在保障安全運行的同時提高電能利用率。圖5(d)為該雙管單端正激開關電源的輸出電壓(uo)波形。由圖可見變壓器次級電壓經過輸出整流二極管D5和濾波電感Lo、濾波電容Co之后,輸出電壓紋波很小,有利于負載性能的提升,并且可以有效延長其使用壽命。

3 結語

本文介紹了“電力電子技術”實驗課程當中一套雙管單端正激開關電源教學實驗平臺的設計過程及其實驗結果,該平臺已經成功應用于教學實驗中。通過在該平臺上進行教學實驗,有利于學生深化課本理論知識,同時也為有志于電源設計的學生提供了良好的實踐機會,有利于提高學生的動手能力,促進本科生應用創新能力的培養。實踐證明,該裝置完全滿足設計要求,且是一種經濟、易于檢測和維護的實驗裝置,非常適合實驗教學使用。

[1] 王志強譯.開關電源的設計[M].北京:電子工業出版社,2005

[2] 徐德鴻譯.開關電源設計指南[M].北京:機械工業出版社,2004

[3] 王兆安,黃俊.電力電子技術(第4版)[M].北京:機械工業出版社,2000.

[6] 原田耕介.開關電源手冊[M].北京:機械出版社,2004.8 11-15

[7] 張占松,蔡宣三.開關電源的原理與設計(修訂版)[MJ.北京:電子工業出版社,2004

[8] 楊君,石勇等.直流斬波電路實驗裝置的研制[J].上海:實驗室研究與探索,2002年,第21卷:90-92

[9] 黃秋,方方等.一種實用小功率開關電源的研制[J].北京:電子設計應用,2009.5,98-100

[10] 陳敏,馬皓,徐德鴻.變壓器激磁電感對雙正激變換器正常工作的影響[J].西安:電力電子技術,2001,35(6):15～18