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大功率開關電源的設計
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大功率開關電源的設計

作者:admin   發布日期:2018-12-20 17:27   信息來源:http://www.419kh.com/

1、引言

本文介紹和比較了電壓型PWM控制器和電流型PWM控制器的優缺點,著重論述了電流型控制芯片UC3846在大功率全橋開關電源中的應用,并對電路進行具體的分析。

2、電壓型和電流型PWM控制器

2.1、電壓型PWM控制器

目前應用廣泛的PWM控制器都是采用電壓模式控制的,它只對輸出電壓進行采樣,采樣信號Vf作為反饋信號與基準電壓vr在誤差放大器中進行比較放大,得到誤差信號Ve,ve和鋸齒波信號比較后通過PWM比較器輸出一系列高頻脈沖來控制開關管的導通和截止,它的主要缺點是:響應速度慢,穩定性差,甚至在大信號變化時會產生振蕩,造成功率管損壞等故障。

UC3846的大功率開關電源的設計

圖1  電壓控制型的原理圖

2.2、電流型PWM控制器

針對上述電壓型控制器的缺點,最近十幾年發展起來電流型控制技術。圖2所示的是電流控制型的原理圖,它的工作原理是通過采用恒頻時鐘脈沖置位鎖存器輸出脈沖驅動功率管導通,電源回路中的電流脈沖逐漸增大,當電流在采樣電阻Rs上的幅度達到Ue時,脈寬比較器狀態翻轉,鎖存器復位,驅動撤除,功率管截止。這樣逐個檢測和調節電流脈沖,就可達到控制電源輸出的目的。電流控制型是在電壓反饋PWM控制環內部增加電流反饋的控制環節,由于存在電壓環和電流環雙環系統使得變換器的線電壓調整率、負載調整率以及瞬態響應特性都有比較大的提高。但需要注意的是峰值電流控制型電路當電路占空比大于50%時,需要加入斜率補償電路。

UC3846的大功率開關電源的設計

圖2  電流控制型的原理圖

3、脈寬調制芯片U03846的簡介

UC3846最早是由unitrode公司推出的電流脈寬調制芯片,該芯片采用大電流圖騰柱式雙端輸出,輸出峰值電流可達500mA,能直接驅動場效應管,內置精密帶隙可調基準電壓、高頻振蕩器、誤差放大器、差動電流檢測放大器、欠電壓鎖定電路以及軟啟動電路,具有自動關斷功能。其主要優點是功能齊全、自動前饋補償、欠壓保護、終端鎖機保護,較好的負載響應特性。外圍控制電路簡單,工作頻率高達500KHZ。最高輸入電壓為40V,基準電壓輸出典型值為5.1V,其內部結構框圖如圖3所示。

UC3846的大功率開關電源的設計

圖3  UC3846內部框圖

4、UC3846芯片的應用電路設計與具體分析

4.1、主電路的設計

本文電路的設計輸出功率為1KW,因此主電路采用全橋式拓撲結構,如圖4所示:

UC3846的大功率開關電源的設計

圖4  主電路原理圖

圖4中G1,G2,G3,G4,和主變壓器T1組成全橋式拓撲電路,這種拓撲結構的優點是主變壓器只需要一個原邊繞組,通過正反向的電壓得到正、反向磁通,副邊有兩組中心抽頭繞組采用全波整流輸出,變壓器的利用效率很高。缺點是需要設置一定的死區時間,防止上下兩管直通。主變壓器T1采用E55磁芯,材質為PC40,原邊繞組匝數為25匝,副邊繞組匝數為3匝,變壓器不留氣隙,在繞制的時候采用“三明治”繞法即“初級+次級+初級”的繞法進行繞制,采用這種繞法可以減少變壓器的漏感,由于次級輸出電流較大,故次級采用四組多股線圈并繞3匝而成。Rl,C1為吸收電路場效應管采用低柵荷的IRFP460LC開關管,LT為初級電流檢測用的電流互感器,作為電流控制時的電流取樣用。

4.2、PWM控制電路

UC3846的大功率開關電源的設計

圖5  控制電路

由UC3846構成的開關電源控制電路如圖5所示,UC3846的8腳和9腳所接的ct和Rt決定振蕩器的工作頻率,PWM振蕩頻率近似計算公式

UC3846的大功率開關電源的設計

由TL431和光耦PC8l7以及外圍電路組成簡單可靠的電壓反饋外環電路,并將反饋信號送至6腳。電流互感器LT將獲得電流反饋內環信號經R13,C8組成的濾波器濾除電流前沿尖峰后送入4腳,放大3倍后和電壓誤差信號進行比較。在引腳6腳和7腳之問接入阻容R5,C3構成PI調節器,用于補償閉環增益和進行頻響調節,R15,C1組成斜坡補償網絡,保證系統能夠穩定的工作,引腳1外接軟啟動電容c2,當引腳1上的電壓低于0.5V時,UC3846的兩個輸出端將沒有輸出,通過對電容c2的充電可以很簡單的實現電路軟啟動功能,引腳l6腳外接保護電路,當16腳電位上升到O.35V,電路進入保護狀態,封鎖輸出脈沖。控制電路的電源由輔助電源電路提供。

4.3、驅動電路的設計

由于驅動電路的浮地電位與被驅動的開關管源極電位不同,需要采用電位隔離的方式驅動,本文采用IR公司生產的IR2110驅動器,它的浮置電源采用自舉升壓電路,能夠很好的實現控制電路主電路的互相隔離,同時具有體積小、速度快、結構簡單、系統穩定性高等優點。全橋電路有兩對場效應管,因此需要兩塊IR2i10構成驅動電路,由IR2110構成的驅動電路如圖6所示

UC3846的大功率開關電源的設計

圖 6  驅動電路

圖中,C1,c2為自舉升壓電容,VCC經D1,C1和G3給C1充電,實現G3關閉,G1導通時,G1的柵極上有足夠的儲能來驅動。對于自舉電容的選擇,一般用一個大電容和一個小電容并聯使用,小電容的作用是吸收毛刺干擾電壓,驅動大容量的MOS管,上管的驅動波形峰頂如果出現下降的現象則要選取容量大一點的電容,電路中還增加了穩壓二極管v5,V6避免VB過電壓損壞IR2110。

5、實驗與結論

按照以上分析和計算設計了一款全橋型開關電源樣機,其設定輸出電壓為+24V,額定輸出電流40A,測試結果表明,電壓調整率和輸出電壓紋波均達到設計指標,滿足了設計要求。

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