低電壓大電流開關電流的設計

1 開關電源的設計

開關電源的基本結構主要由7部分組成：輸入整流濾波電路、高頻開關變換器電路、整流輸出電路、控制電路、保護電路、輔助電源以及顯示電路。

1．1 主電路

該設計的主電路拓撲結構如圖1所示，輸入市網(wǎng)220 V電壓，通過RC濾波及整流橋整流、全橋逆變、高頻變壓器、輸出整流以實現(xiàn)AC／DC／AC／DC的變換過程，最終得到所需要的15 V直流穩(wěn)壓電源。

1．1．1 輸入濾波整流(AC／DC)

低電壓大電流的開關電源對高頻干擾信號以及上電瞬間的浪涌電流十分敏感，為了保證電路穩(wěn)定工作，消除來自電網(wǎng)的各種干擾，輸入的220 V市電首先經(jīng)RC濾波電路，對尖峰電壓進行抑制。高頻濾波后的電壓經(jīng)整流電路整流，得到直流電壓。橋式整流電路后面的濾波電具有充放電作用，濾除整流后的交流成分。

1．1．2 高頻開關變換器(DC／AC)

它是開關電源的重要部分，逆變電路采用全橋變換，由4個IGBT開關管組成橋的四臂，每個IGBT并聯(lián)1個高速功率二極管，其鉗位作用以減小開關管由導通轉換為截止時，變壓器產(chǎn)生的電壓尖峰，以保護開關管不被擊穿。IGBT，絕緣柵雙極型晶體管，既具有輸入阻抗高、速度快、熱穩(wěn)定性好和驅(qū)動電路簡單的優(yōu)點，又有通態(tài)電壓低、耐壓高的優(yōu)點。開關管IGBT的柵極接收PWM信號，當門極加正壓，MOSFET內(nèi)形成溝道，并為PNP晶體管提供基極電流，從而使IGBT導通。此時從P區(qū)注入到N區(qū)進行電導調(diào)制，減小N一的電阻值，使高耐壓的
IGBT也具有低的通態(tài)壓降。在門極上加負電壓時，MOSFET內(nèi)的溝道消失。PNP晶體管的基極電流被切斷，IGBT關斷。T1、T4與，I2、 輪流高頻通斷，將直流電壓變成交流電壓，再經(jīng)高頻隔離變壓器變成所需的隔離輸出交流電壓。此處的高頻變壓器采用鐵基鈮銅納米晶環(huán)形鐵芯高頻變壓器，這種變壓器具有損耗小、漏感低、體積小等特點。

摘要：介紹了一種以PWM控制芯片UC3825為核心的低壓大電流開關電源的設計方案，闡述了主電路的拓撲結構及主控制電路的電路設計，并設計了軟啟動及過壓過流保護電路，應用反饋手段和脈寬調(diào)制技術實現(xiàn)了電壓、電流的穩(wěn)定輸出，并研制了1臺15 v／1 200 A的樣機。

關鍵詞：開關電源；脈寬調(diào)制；變換器

1 開關電源的設計

開關電源的基本結構主要由7部分組成：輸入整流濾波電路、高頻開關變換器電路、整流輸出電路、控制電路、保護電路、輔助電源以及顯示電路。

1．1 主電路

該設計的主電路拓撲結構如圖1所示，輸入市網(wǎng)220 V電壓，通過RC濾波及整流橋整流、全橋逆變、高頻變壓器、輸出整流以實現(xiàn)AC／DC／AC／DC的變換過程，最終得到所需要的15 V直流穩(wěn)壓電源。

1．1．1 輸入濾波整流(AC／DC)

低電壓大電流的開關電源對高頻干擾信號以及上電瞬間的浪涌電流十分敏感，為了保證電路穩(wěn)定工作，消除來自電網(wǎng)的各種干擾，輸入的220 V市電首先經(jīng)RC濾波電路，對尖峰電壓進行抑制。高頻濾波后的電壓經(jīng)整流電路整流，得到直流電壓。橋式整流電路后面的濾波電具有充放電作用，濾除整流后的交流成分。

1．1．2 高頻開關變換器(DC／AC)

它是開關電源的重要部分，逆變電路采用全橋變換，由4個IGBT開關管組成橋的四臂，每個IGBT并聯(lián)1個高速功率二極管，其鉗位作用以減小開關管由導通轉換為截止時，變壓器產(chǎn)生的電壓尖峰，以保護開關管不被擊穿。IGBT，絕緣柵雙極型晶體管，既具有輸入阻抗高、速度快、熱穩(wěn)定性好和驅(qū)動電路簡單的優(yōu)點，又有通態(tài)電壓低、耐壓高的優(yōu)點。開關管IGBT的柵極接收PWM信號，當門極加正壓，MOSFET內(nèi)形成溝道，并為PNP晶體管提供基極電流，從而使IGBT導通。此時從P區(qū)注入到N區(qū)進行電導調(diào)制，減小N一的電阻值，使高耐壓的
IGBT也具有低的通態(tài)壓降。在門極上加負電壓時，MOSFET內(nèi)的溝道消失。PNP晶體管的基極電流被切斷，IGBT關斷。T1、T4與，I2、 輪流高頻通斷，將直流電壓變成交流電壓，再經(jīng)高頻隔離變壓器變成所需的隔離輸出交流電壓。此處的高頻變壓器采用鐵基鈮銅納米晶環(huán)形鐵芯高頻變壓器，這種變壓器具有損耗小、漏感低、體積小等特點。

1．1．3 輸出整流濾波(AC／DC)

由高頻隔離變壓器輸出的逆變電壓，經(jīng)過大功率高頻整流二極管SBD(即肖特基二極管)構成的整流電路整流，再經(jīng)Lc濾波電路濾波后輸出直流電壓，輸出端的分流器對輸出進行采樣，傳送到控制電路進行控制調(diào)節(jié)，輸出穩(wěn)定的電壓。

1．2 控制電路

控制電路是開關電源穩(wěn)定工作的重要保證，選取UC3825作為控制芯片，它由振蕩器、PWM比較器、PWM鎖存器、輸出驅(qū)動器、限流比較器、過流比較器、基準電壓源、故障鎖存器、軟啟動電路、欠壓鎖定等組成。UC3825最高開關頻率可達到1 MHz，輸出脈沖最大傳輸延
遲時間為50 ns，具有軟啟動控制和欠壓鎖定等功能，應用UC3825的功能設計開關電源的控制電路，UC3825的2個脈沖輸出端為開關管IGBT提供PWM驅(qū)動信號，交替輸出脈沖。因此，每個輸出端輸出脈沖的頻率是振蕩器頻率的1／2，振蕩器的頻率為200 kHz，所以輸出PWM脈沖的頻率為100 kHz，輸出脈沖占空比在0％ ～50％以內(nèi)調(diào)整，為了避免橋臂短路，常設置死區(qū)時間，因此實際應用中一般達不到50％ 。UC3825的4、6、11、14腳的波形如圖2所示，11、14腳波形經(jīng)驅(qū)動電路輸出耦合至IGBT的柵極，控制IGBT的開通和關斷。開關管的驅(qū)動電路如圖3所示。

在實際應用中，IGBT的驅(qū)動電路對IGBT的工作好壞具有相當大的影響，因此，驅(qū)動電路要具有幾點要求：能提供合適的正反向電壓，保證管子可靠的開通和關斷；動態(tài)驅(qū)動能力強；信號傳輸基本無延時，提高工作速度；當出現(xiàn)異常情況時，IGBT能實現(xiàn)軟關斷，對管子進行過壓、過流保護。使用的驅(qū)動電路能夠提供+15 V和一15 V的正向和反向電壓，開通和關斷延時控制在1 s內(nèi)，且具有過壓和短路保護，另外，具有故障軟關斷功能。

為了得到穩(wěn)定的輸出，在輸出端進行實時采樣。如圖4所示，采樣電流流經(jīng)采樣電阻會產(chǎn)生一個壓降，將該壓降作為反饋信號，輸入到電壓比較器，與給定的基準電壓進行比較，產(chǎn)生一個差值，通過誤差放大器比較放大后，輸出的差值信號和鋸齒波(或三角波)比較，從而改變輸出脈沖的寬度，當輸出大于

基準電壓時，減小脈沖寬度占空比，反之，則增大占空比，以實現(xiàn)能得到一個穩(wěn)定的輸出。

1．3 保護電路

考慮到開關電源的特點和實際的電氣特性，為了使其能在惡劣環(huán)境以及突發(fā)故障情況下安全可靠地工作，在實際的制作中充分利用UC3825的特性，設計了電壓電流保護電路以及軟啟動保護等保護電路。軟啟動是通過軟啟動(SOFT、START)腳的外接電容實現(xiàn)的。接通電源后，軟啟動腳外接電容放電，該腳處于低電平，誤差放大器輸出低電平，開關電源無輸出電壓。當內(nèi)部電流源給軟啟動腳外接電容充電時，