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并聯(lián)型高頻開關(guān)直流電源的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

時間:2008-10-21 11:13:00來源:fenghy

導(dǎo)語:?各式各樣的開關(guān)電源以其小巧的體積、較高的功率密度和高效率越來越得到廣泛的應(yīng)用。
近幾年來,各式各樣的開關(guān)電源以其小巧的體積、較高的功率密度和高效率越來越得到廣泛的應(yīng)用。隨著電力系統(tǒng)自動化程度的提高,特別是其保護(hù)裝置的微機(jī)化,通訊裝置的程控化,對電源的體積和效率的要求不斷提高。電源中磁性元件和散熱器件成了提高功率密度的巨大障礙。開關(guān)頻率的提高可以使開關(guān)變換器(特別是變壓器、電感等磁性元件以及電容)的體積、重量大為減小,從而提高變換器的功率密度。另外,提高開關(guān)頻率可以降低開關(guān)電源的音頻噪聲和改善動態(tài)響應(yīng)。但是由于開關(guān)管的通斷控制與開關(guān)管上流過的電流和兩端所加的電壓無關(guān),而早期的脈寬調(diào)制(PWM)開關(guān)電源工作在硬開關(guān)模式,在硬開關(guān)中功率開關(guān)管的開通或關(guān)斷是在器件上的電壓或電流不等于零的狀態(tài)下強(qiáng)迫進(jìn)行的,電路的開關(guān)損耗很大,開關(guān)頻率越高,損耗越大,不但增加了熱設(shè)計(jì)的難度而且大大降低了系統(tǒng)得可靠性,這使得PWM開關(guān)技術(shù)的高頻化受到了許多的限制。   根據(jù)高頻電力操作電源的設(shè)計(jì)要求,結(jié)合實(shí)際的經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果選擇合適的開關(guān)器件,設(shè)計(jì)出穩(wěn)定可靠、性能優(yōu)越的控制電路、驅(qū)動電路、緩沖電路以及主要的磁性元器件。對最大電流自動均流法的工作原理以及系統(tǒng)穩(wěn)定性進(jìn)行了較為深入的研究。采用均流控制芯片UC3907設(shè)計(jì)了電源的均流控制電路,使模塊單元具有可并聯(lián)功能,可以實(shí)現(xiàn)多電源模塊并聯(lián)組成更大功率的電源系統(tǒng)。 1 系統(tǒng)原理的設(shè)計(jì)思想 在設(shè)計(jì)大型的開關(guān)電源模塊時,首先需要對系統(tǒng)有一個整體的規(guī)劃,以便于設(shè)計(jì)整體結(jié)構(gòu)及相應(yīng)的輔助電源。高頻開關(guān)直流電源系統(tǒng)的總體框圖。(如圖1)。
2 控制主電路設(shè)計(jì) 2.1電壓電流雙環(huán)控制   為了實(shí)現(xiàn)輸出電壓電流均可控,通常采用電流模式控制,常用的電流模式控制有峰值電流控制法和。針對峰值電流控制的不穩(wěn)定性,容易發(fā)生次諧波振蕩,對噪聲敏感,抗噪聲性差等幾個缺點(diǎn)。我們采用平均電流控制法PWM。   平均電流模式采用雙閉環(huán)控制,其內(nèi)環(huán)控制輸出濾波電感電流,外環(huán)控制輸出電壓,提高了系統(tǒng)響應(yīng)速度。平均電流模式控制PWM的原理圖(如圖2)。
圖2 平均電流模式控制原理圖
  將誤差電壓信號Ue接至電流誤差信號放大器的同相端,作為輸出電感電流反饋的控制信號Uip。將帶有鋸齒紋波狀分量的輸出電感電流反饋信號Ui接至電流誤差信號放大器的反相端,跟蹤電流控制信號Uip。Ui與Uip的差值經(jīng)過電流誤差放大器放大后,得到平均電流跟蹤誤差信號UC。再由UC與三角鋸齒波信號通過比較器比較得到PWM控制信號。UC的波形與電流波形Ui反相,所以,是由UC的下斜坡(對應(yīng)于開關(guān)器件導(dǎo)通時期)與三角波的上斜坡比較產(chǎn)生控制信號。顯然,這就無形中增加了一定的斜坡補(bǔ)償。但為了穩(wěn)定工作,要求電感電流的下降坡度不能大于晶振的坡度。 2.2小信號分析及電流、電壓環(huán)PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)設(shè)計(jì)   控制方式有恒壓和恒流兩種工作方式。當(dāng)D1導(dǎo)通時,電路工作在恒流模式,此時,電壓環(huán)不起作用,電路相當(dāng)于單環(huán)控制。當(dāng)D1截止時,電路工作在恒壓模式下,電路采用串級雙環(huán)控制,電流環(huán)作為電壓環(huán)的內(nèi)環(huán),電壓環(huán)PI調(diào)節(jié)器的輸出Ue作為電流環(huán)PI調(diào)節(jié)器的給定。其電路方框圖(如圖3)所示,在設(shè)計(jì)參數(shù)時,先設(shè)計(jì)電流環(huán)的調(diào)節(jié)器,獲得穩(wěn)定的內(nèi)環(huán),然后得到電流環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)Tic(s),并將其作為電壓環(huán)的一個環(huán)節(jié),(如圖4)所示,然后設(shè)計(jì)電壓環(huán)的調(diào)節(jié)器。這種控制方式的最大的優(yōu)點(diǎn)是很好地解決了電路的限流問題,使電路具有最快的限流響應(yīng)速度。而且可以通過調(diào)節(jié)電阻R3,減小D1管壓降的變化量,以提高這種控制方式的穩(wěn)流精度。   H為輸出電壓采樣系數(shù),   Ki為電感電流采樣系數(shù);   FM為脈寬調(diào)制器的傳遞函數(shù),F(xiàn)M=1/Upp,(Upp為三角波峰峰值);
圖3 雙環(huán)控制模式下的電路方框圖
圖4 電壓外環(huán)等效方框圖
  GV(s)為電壓環(huán)PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù): (1-1)   Gi(s)為電流環(huán)PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù): (1-2)   Gdi(s)為主電路的占空比對電感電流的開環(huán)傳遞函數(shù) (1-3)     忽略輸出濾波電感電容的等效電阻的影響 (1-4)   式中:   Udc輸入直流母線電壓;   n為副邊與原邊的匝比   L為輸出濾波電感值;   RL為濾波電感的電阻;   C為輸出濾波電容;   RC為濾波電容的串聯(lián)等效電阻;   R為負(fù)載電阻。   Z(s)為負(fù)載和輸出電容支路的并聯(lián)阻抗: (1-5)   由圖3可得,電流環(huán)(內(nèi)環(huán))的閉環(huán)傳遞函數(shù)為: (1-6)   然后由等效方框圖圖4可得,補(bǔ)償前電壓環(huán)的開環(huán)傳遞函數(shù)為: (1-7) 3 控制電路設(shè)計(jì)   采用集成芯片UC3525外加運(yùn)放構(gòu)成平均電流模式控制電路并用單片UC3525外加邏輯電路的方式形成有限雙極性控制的4路控制信號(如圖5)。   1) 外環(huán)控制。電壓給定信號與輸出電壓反饋信號經(jīng)運(yùn)放U1補(bǔ)償比較得Ue,接到UC3525的內(nèi)部誤差放大器正相輸入端2腳作為反饋電流的控制信號Uip。當(dāng)輸出電流超過給定限流值時,D11導(dǎo)通,Uip被嵌在給定限流值上。   2) 內(nèi)環(huán)控制。采樣電阻檢測輸出電流并通過電流檢測放大器得電流反饋信號。接到UC3525的內(nèi)部誤差放大器反相輸入端的1腳,與Uip進(jìn)行比較。UC3525的9腳為反饋補(bǔ)償端。   3) 有限雙極性控制。UC3525的4腳為同步信號輸出,該信號作為D觸發(fā)器U3的時鐘信號,U3的Q端(1腳)和端(2腳)既可得到占空比為50%相位相差180的兩組脈沖,Q11、Q12用于控制死區(qū)時間。
圖5 單片UC3525構(gòu)成有限雙極性控制原理圖
4 驅(qū)動電路設(shè)計(jì)   在IGBT的使用過程中,驅(qū)動電路選擇的合理性和設(shè)計(jì)是否正確是影響其推廣使用的問題之一。IGBT的通態(tài)電壓、開關(guān)時間、開關(guān)損耗、承受短路能力以及dv/dt電流等參數(shù)均與門極驅(qū)動條件密切相關(guān)。   IGBT的驅(qū)動電路原理圖如圖6所示。   圖中Q1為由控制電路產(chǎn)生的驅(qū)動信號輸入,fault為本驅(qū)動電路在檢測到過流等故障時發(fā)出的故障檢測信號。C1、G1、E1分別接IGBT的源柵漏級。驅(qū)動電路的供電,采用單電源加穩(wěn)壓管的方式。   對于M57962AL驅(qū)動電路,在以下兩種情況容易導(dǎo)致驅(qū)動電路失去負(fù)偏壓:一是產(chǎn)生負(fù)偏壓的穩(wěn)壓二極管D2被擊穿短路;二是驅(qū)動電路在單電源供電時,因失去電源供電電壓的時候。此時若按傳統(tǒng)的M57962AL單電源供電的典型接法(如圖7),并沒有保護(hù)信號給出,易造成IGBT的損壞
圖6 IGBT的驅(qū)動電路原理圖
  針對上述所說的情況,對M57962AL的外圍電路進(jìn)行了一些改進(jìn)(如圖7)所示。在正常情況下,D4導(dǎo)通,M57962AL的8腳為高電平,D1截止,VT導(dǎo)通,光耦輸出呈低阻態(tài),故障信號為低電平,表現(xiàn)為無故障。過流保護(hù)時,D4截止,M57962AL的8腳為低電平,D1導(dǎo)通,VT截止,光耦輸出呈高阻態(tài),故障信號為高電平,表現(xiàn)為有故障發(fā)生。如果穩(wěn)壓二極管D2擊穿短路,則D4截止,VT截止,光耦輸出呈高阻態(tài),同樣給出故障信號。如果驅(qū)動電路失去+24V電壓,則光耦無電流流過,仍然表現(xiàn)為故障保護(hù)。這樣就避免了IGBT因?yàn)槭ヘ?fù)偏壓或者失去供電而導(dǎo)致?lián)p壞。
圖7 M57962AL的典型接法
5 結(jié)束語 針對高頻開關(guān)電力操作電源的技術(shù)要求,對開關(guān)電源的控制電路、驅(qū)動電路、緩沖電路及主要磁元件進(jìn)行了設(shè)計(jì)、優(yōu)化。隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展,也必將推動高頻開關(guān)電源朝著更大規(guī)模的方向發(fā)展。

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