基于寬電壓范圍輸入多路輸出的開關電源設計

徐關澄，孟向軍，呂 淼，孫 亮，陳 雪

（西安許繼電力電子技術有限公司 新能源產品技術部，西安 710075）

開關電源又稱交換式電源、開關變換器，是一種高頻化電能轉換裝置。它利用現代電力電子技術，控制開關管開通和關斷的時間比率，維持穩定的輸出電壓。開關電源一般由脈沖寬度調制PWM（pulse width modulation）控制IC和MOSFET構成。

隨著電力電子技術的發展和創新，開關電源技術也在不斷地創新，其中高頻化使開關電源小型化，并使開關電源進入更廣泛的應用領域，特別是在高新技術領域的應用，推動了高新技術產品的小型化、輕便化[1]。其產品廣泛應用于工業自動化控制、軍工、科研、數碼產品、電力電子及儀器等領域[2]。根據光伏類產品的項目需求，提出了基于寬輸入多路輸出的高壓開關電源設計方案，設計功率為120 W，輸入電壓范圍為DC 250～1000 V，輸出4路DC 24，±12，15 V的開關電源，其紋波電壓的峰值＜2%。該開關電源產品目前已經廣泛應用于西安許繼電力電子限公司的DCDC與DCAC模塊及光伏逆變器、變流器產品中，并在多個合同項目的現場穩定運行。

1 開關電源總體設計

反激拓撲變換器具有高可靠性、電路拓撲簡潔、輸入輸出電氣隔離、升/降范圍寬、易于多路輸出等優點[3]。但是，由于反壓的作用，反激電路的開關管所承受的電壓往往高于輸入電壓，因此限制了反激電路在高壓場合的應用。在隨后出現的雙管反激拓撲，由于每個功率開關管上施加的電壓幅值不超過輸入電壓，尤其適合于高輸入電壓場合。

考慮到在此所設計的開關電源輸入電壓很高，而高壓MOS管不宜采購，故設計采用雙管反激拓撲。

主回路器件由開關管（金氧半場效晶體管MOSFET）、主變壓器及輸出整流二極管及控制電路等組成。主回路部分如圖1所示。

圖1 開關電源主回路總體框圖Fig.1 Overall block diagram of main circuit of switching power supply

開關電源主回路的工作原理如下：從太陽能電池板輸出直流電壓250～1000 V，經過防反二極管，主回路拓撲為buck/boost型電路，經過輸出整流二極管與電容的作用輸出穩定的直流電。輸出的電壓通過反饋接至控制芯片，通過改變控制芯片輸出PWM的脈沖寬度，從而達到穩壓的作用。

2 主回路設計

2.1 變壓器設計

變壓器作為開關電源最重要的功率器件之一，設計的好壞決定著開關電源的優劣。

鐵氧體在高頻下具有電阻率高的特性，可以降低渦流損耗（鐵損），而且價格低廉，特別是在工作頻率＞100 kHz時，優勢明顯。PQ型鐵芯的漏感小，磁路閉合性好，線圈間耦合緊密，電磁干擾小[3]，故變壓器選擇PC40材質、PQ型磁芯。PC40是日本TDK開發的鐵氧體功率材料，是鐵氧體功率材質中的基礎材料，也是應用最廣的材料[4]。

通常，采用面積乘積 AP（area product）法計算選擇變壓器的磁芯，即

其中，因不同的變壓器拓撲，Pt差異較大，故取

式（1）中：Pt為變壓器視在功率，V·A；J為電流密度，J=300～500 A/cm2， 典型值為400 A/cm2， 保守值為350 A/cm2；Ku為窗口面積使用系數，Ku=0．2～0．5，典型值為0．4；Kf為波形系數，即有效值與平均值之比，正弦波 Kf=4．44，方波 Kf=4，此處取 Kf=2；Aw為磁芯窗口面積；Ae為磁芯有效截面積；Bm為磁通密度； fs為開關頻率，Hz。

由式（1）得出：選擇 PQ32的骨架，PC40的磁芯；考慮到高頻集膚效應，采用d=0．53 mm的導線，多股并繞。

2.2 控制電路設計

美國Unitrode公司電流控制型IC芯片UC384X（UC3842/3/4/5）系列。該芯片只有8個引腳，外圍電路接線簡單，所用器件少，且性能優越，成本低廉，驅動電平非常適合于驅動MOS場效應管。該系列中UC3844/5的最大占空比為50%。綜合成本以及外圍電路調試難易程度等方面，在此選用UC3844作為控制電路的核心芯片。UC3844使用SO-8封裝，芯片的引腳功能見表1。結合具體設計，搭建芯片的外圍電路如圖2所示。

表1 UC3844各引腳功能Tab.1 Functions of UC3844 pins

圖2 UC3844外圍電路設計Fig.2 Peripheral circuit design of UC3844

2.3 驅動電路設計

由于電源板采用雙管反激式變換器，2只MOSFET管需同時導通、同時截止，因此要求通過2個相同相位但又互相隔離的信號。在此使用1個雙線路輸出的隔離驅動變壓器，既可以滿足雙管驅動的要求，又能使控制電路與電位浮動的功率開關管之間進行隔離[5]。

驅動電路如圖3所示，C1為隔直電容，R1和R3為柵極驅動電阻，用于防止電流尖峰引起的高頻振蕩。穩壓二極管Z1，Z2用于防止MOSFET正負驅動電壓過高損壞管子。由于隔直電容C1的作用可以在關斷所驅動的管子時提供一個負壓，從而加速了功率管的關斷，因此具有較高的抗干擾能力。R2，R4和穩壓管可以提高MOS管的抗電壓尖峰和抗干擾的能力。

搭建的驅動變壓器PSIM模型如圖3所示。按照AP發進行變壓器計算，得出：變壓器磁芯選擇PC40，骨架選擇 RM 型，原邊電感量 Lp=400 μH，副邊電感量Ls=800 μH；原邊匝數Np=14匝，副邊匝數Ns1=Ns2=20 匝 ；C1=0.1 μF，R1和 R2為開 通電 阻，R1=R2=51 Ω，R3=R4=5.1 kΩ。其波形如圖4所示。

圖3 驅動電路設計Fig.3 Design of drive circuit

2.4 副邊輸出整流二極管設計

整流二極管必須具有正向壓降低、快速恢復的特點，還應具有足夠的輸出功率。副邊整流二級管耐壓為

圖4 驅動電路PSIM仿真Fig.4 PIM simulation of drive circuit

式中：N2/N1為變壓器匝比；Uin，max輸入電壓的最大值。式（2）為在理想狀態下的理論計算值，然而二極管在實際運行中的情況并非如此簡單。二極管換流和恢復過程中會出現尖峰電壓和振蕩過電壓，漏感和引線電感在瞬變過程中產生的尖峰電壓，瞬時短路的情況更為嚴重。一般地，選取整流管的反向電壓約為理論計算值的2～3倍。

流過副邊整流二級管的電流峰值為

式中：Dmax為開關電源的最大占空比。

由式（3）得出：選用意法電氣公司的肖特基快恢復整流二極管STPS20200CT。

3 開關電源仿真實現

通過PSIM仿真來驗證所設計開關電源的可行性。由于PSIM中沒有UC3844的模型，故利用UC3844的模型及電路參數搭建了開關電源的PSIM仿真模型，如圖5所示。

采用PSIM仿真模型，輸出的波形如圖6所示。圖中，VP44為24 V輸出，VP45為-12 V輸出，VP47為5 V輸出，VP48為反饋和驅動的12 V輸出。

4 開關電源實物驗證

根據上述試驗結果及仿真驗證，設計并且調試了開關電源。開關電源的硬件實物如圖7所示。

該開關電源可以實現輸入電壓寬范圍變化，可以從 DC 250 V～1000 V 的輸入。輸出電壓 24，12，5，-12 V及950 V滿載紋波測試的結果見表2。

在電源穩定運行10 min后，進行開關電源短路保護測試試驗，結果如圖8所示。

通過以上波形可以看出，當短路其中一路輸出之后，電源會自動封鎖脈沖來保護電源；當短路干擾去除之后，電源自動恢復脈沖輸出（且恢復電壓的過沖僅為1.2 V），使電源正常工作。

圖5 開關電源PSIM仿真Fig.5 Simulation of switch power supply PSIM

圖6 開關電源仿真輸出Fig.6 Simulation output of switching power supply

圖7 開關電源硬件實物Fig.7 Switching power supply hardware object

表2 四種輸出電壓的測試結果Tab.2 Test results of four kinds of output voltages

圖8 短路保護測試試驗結果Fig.8 Test results of short circuit protection

5 結語

提出了基于寬輸入多路輸出的高壓開關電源設計方案。采用UC3844作為主控制芯片，搭建外圍控制電路，設計了主變壓器、驅動變壓器、副邊輸出整流二極管等相關電路部分，并使用PSIM軟件仿真驗證了該方案的可行性；完成了開關電源的硬件的設計及調試。該電源具有短路保護功能及過流保護功能，使得電源具有較高的穩定性，芯片及外圍電路簡單，使得電源成本低廉；已在變流器系列產品、光伏逆變器系統及模塊化產品實際工程中獲得了成功的應用。