基于礦用變頻器使用的開關電源設計與調試技巧

吳世均

摘? 要：敘述1140V電壓等級礦用變頻器用的開關電源設計與調試，采用單端反激式拓撲結構，實現AC220V輸入，+24V、±15V、+15V三相電源相互隔離輸出;開關變壓器溫升要小于45℃，其它元器件溫升小于20℃;紋波電壓小于50mV。以適應具有熱地檢測礦用變頻器用開關電源。

關鍵詞：開關電源;開關變壓器;單端反激式;碳化硅MOS管;匝比;骨架;磁芯;電感量

中圖分類號：TN86? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：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計中，開關電源設計是一個重點和難點。礦用變頻器正常運行時，殼體內環境溫度最高達到50℃，電路板發熱元件的溫升就必須重點考慮。同時在以熱地為基礎設計時，電源的地線是和直流母線的負極直接相連的，因此要充分考慮隔離耐壓要求。目前，眾多的開關電源廠商，并沒有專門開發高壓隔離、低溫升的，適合礦用變頻器使用的開關電源。

1 設計目標

表1

根據設計目標，選擇單端反激式拓撲結構;電路始終工作在斷續模式;控制芯片采用UC3844;開關頻率為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，由此可以計算變壓器相關參數。

2 變壓器設計

2.1 計算輸入總功率

2.2 選擇輸入濾波電容容量

2.3 計算整流后的最小和最大直流電壓

2.4 計算匝比

2.5 驗算匝比，計算最大占空比

2.6 計算初級電感量

2.8 計算初級電感的有效值電流

2.9 計算次級電流有效值

首先計算變壓器的復位時間Tr，也就是變壓器次級電流降到零需要的時間，為了保證變壓器一直工作在斷續模式下，必須預留死區時間Tdt，通常Tdt=0.2×T，一個工作周期時間T=Tonmax+Tr+Tdt，可得復位時間為：

2.10 選擇合適的磁芯

2.11 計算初級線圈匝數

2.12 計算次級回路匝數

3 設計原理圖

3.1 計算各個輸出回路的電容容量

3.2 設計原理圖

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成了電壓采樣，用來控制占空比大小;Q1和Q2雙管并聯;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以及和它并聯的電阻構成RCD吸收電路;R3和C5構成RC振蕩電路，用來設置40kHz開關頻率。

3.3 發熱元器件選型

如圖1所示：除了變壓器，其它主要發熱元器件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必須選擇快恢復二極管，這類二極管的正向電壓越低、反向恢復時間越短，發熱量越低。

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

4 開關電源的調試技巧

第一步：用可調直流電源給UC3844的7腳供16V電，用示波器測量6腳發出的觸發波形，其頻率在40kHz左右。第二步：用另外一個可調直流電源給端子X5供電，調節電壓大于15V時，UC3844的6腳觸發波形消失，調節電壓小于15V時，UC3844又有觸發波形了。第三步：撤掉可調直流電源，給端子X1供AC220V電，測量輸出各個端子的電壓值。

5 結束語

本文詳細描述了單端反激式開關電源設計過程，該開關電源已經在防爆變頻器中大量使用了，驗證了該設計的正確性和可靠性?？梢宰鳛殚_關電源設計的參考文獻。

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