5kW高穩(wěn)定度電源模塊概述

5kW高穩(wěn)定度電源模塊概述

摘要：簡要地介紹了大功率開關電源模塊的設計及一些注意事項。

關鍵詞：IGBT模塊；脈寬調(diào)制；單片機；均流

1引言

隨著微機在電力系統(tǒng)中的推廣應用，相應對直流電源也提出了更高的要求，于是高頻開關電源開始被電力系統(tǒng)所采納。目前國內(nèi)所生產(chǎn)的高頻開關電源模塊，單機功率普遍小，用于小容量直流系統(tǒng)，性能價格比絕對占優(yōu)勢，可靠性也比較高。而對于大容量直流系統(tǒng)，就必須并聯(lián)許多模塊，這樣一方面使直流系統(tǒng)的可靠性大大降低，另一方面使造價升高，在市場競爭中，便無優(yōu)勢可言了。在這種形勢下，就需要單機容量大的開關電源，本文介紹的開關電源，正是為此而設計的。 2控制電路

本電源控制電路采用的是MOTOLOLA公司生產(chǎn)的TL494芯片，其內(nèi)部結構方框圖如圖1所示。

TL494是一個固定頻率的PWM控制電路，適用于設計所有的（單端或雙端）開關電源典型電路，其主要性能如下：

1）輸入電源DC7～40V，可用不穩(wěn)壓電源作輸入電源，從而使輔助電源簡化。TL494末級兩只功率管在7～40V范圍內(nèi)工作時，最大輸出電流可達250mA。因此，其負載能力較強，即可按推挽方式工作，也可將兩路輸出并聯(lián)工作，小功率時可直接驅(qū)動。 2）內(nèi)部有5V參考電壓，使用方便，參考電壓短路時，有下垂保護特性。

3）內(nèi)部有一對運算放大器，可作反饋放大器及保護之用，控制很方便。

4）在高頻開關電源中，輸出方波必須對稱，在其它一些應用中，又需要方波人為不對稱，即需控制方波的占空比，通過對TL494第4腳（死區(qū)時間控制端）的控制，即可調(diào)節(jié)占空比，還可作輸出軟啟動保護用。

5）可以選擇單端，并聯(lián)及交替三種方法輸出。

對照圖1可以看出TL494芯片的腳1及腳2為運算放大器輸入，本電路作電壓反饋，腳1為反饋輸入，腳2在腳14上通過電阻從內(nèi)部基準電壓5V取分壓，作為與腳1比較的基準。腳3為補償校正，為PWM比較器輸入，接入電阻及電容可以抑制振蕩。腳4為死區(qū)控制，加在腳4上的電壓越高，死區(qū)寬度越大。當其接地時，死區(qū)為零，即全輸出，當其接5V時，死區(qū)最大，無輸出脈沖。利用此特點，在腳4與腳14間接一電容，可達到輸出軟啟動的目的，還可以做短

圖1TL494方框圖

路保護用。腳5及腳6為振蕩器的接地電容，電阻，本電路振蕩器振蕩頻率為50kHz。腳14為內(nèi)部參考電壓＋5V。腳15及腳16為另一運算放大器輸入，本電路即作電流反饋用，又作電流保護用，不用時，可將腳15及腳16在與地短接。

3功率變換部分

本電路功率變換部分采用IGBT模塊，組成半橋式電路，如圖2所示。此部分是開關電源的核心，其性能的好壞直接影響整個電源的性能與可靠性。

3.1主電路

經(jīng)過三相全波整流后約560V直流電壓經(jīng)輸入濾波電容C2，C3分壓，各承受約280V電壓。當V1的門極電壓uG1達到一定電平值時，V1導通，電容器C2經(jīng)過V1的漏極?源極，變壓器T的初級繞組放電，給次級傳遞能量。當V1截止時，V2的門極電壓uG2也達到一定的電平值，使V2由截止轉為導通，電容器C3經(jīng)T的初級繞組及V2的漏極?源極放電，給次級傳遞能量。為了避免V1與V2同時導通造成直通故障損壞V1和V2，必須要保證V1和V2的門極驅(qū)動電壓有一個共同截止的時間，稱為控制脈沖的“死區(qū)”時間，要求“死區(qū)”時間必須大于V1和V2的最長導通飽和延遲時間。

3.2RC緩沖電路

如圖2所示，以V1為例，當V1截止時，電容器C4通過R4充電，當V1導通時，電容器C4經(jīng)R4放電，RC緩沖電路雖然消耗了一定量的功率，但卻減輕了開關管關斷瞬間的電壓應力。

選擇RC電路必須要保證以下兩點：一是在開關管截止期間，必須能使電容器充電到接近UDS電壓；二是在開關管導通期間，必須使電容器上的電荷經(jīng)過電阻全部放掉。

3.3門極抗干擾箝位保護電路

如圖2所示，并聯(lián)在IGBT門極與發(fā)射極之間的穩(wěn)壓管，極性相反，串聯(lián)在一起使用，其目的是把門極正向電壓限制在20V以內(nèi)，負偏壓限制在15V以內(nèi)，這樣把加在門極的電壓箝位到預定電平，從而有效地消除了干擾在驅(qū)動電路中產(chǎn)生的尖峰電壓信號對IGBT的潛在危害。

4驅(qū)動電路

IGBT的門極驅(qū)動電路密切地關系到其靜態(tài)和動態(tài)特性。門極電路的正偏壓UGS、負偏壓－UGS和門極電阻RG的大小，對IGBT的通態(tài)電壓，開關時間，開關損耗，承受短路能力以及dv/dt等參數(shù)均有不同程度的影響。

設計驅(qū)動電路的一些注意事項如下：

1）連線長度應盡量減少與IGBT模塊各管腳的連線長度，尤其是門極引線的長度。如果實在無法減少其長度，可以用小磁環(huán)或一個小電阻與門極串聯(lián)。這兩個元件應盡量靠近模塊門極，它們可以消除寄生震蕩。

2）精心布局器件盡量作到完全對稱，連線盡量同長度并且盡量減短加粗，盡可能用多股絞線。

3）泄放電阻在IGBT的門極與源極之間，應加11kΩ的泄放電阻。

4）正偏電壓UGS的影響當UGS增加時，開通時間縮短，因而開通損耗減少，UGS的增加雖然對減小通態(tài)電壓和開通損耗有利，但是UGS不能隨意增加，當增加到一定程度后，對IGBT的負載短路能力以及dv/dt有不利影響，本電路采用UGS=15V。

5）負偏電壓－UGS的影響負偏電壓是很重要的門極驅(qū)動條件，它直接影響IGBT的可靠運行。過高的dv/dt會產(chǎn)生較大的位移電流，使門極?源極之間的電壓上升，并超過IGBT的門極閾值電壓，于是產(chǎn)生一個較大的漏極脈沖浪涌電流，過大的漏極浪涌電流會使IGBT發(fā)生不可控的擎住現(xiàn)象，為了避免IGBT發(fā)生這種誤觸發(fā)，可在門極加反向偏置電壓，本電路加－UGS=－12V。

6）門極電阻的影響門極電阻選用的原則為，在開關損耗不大的情況下，應選用較大的門極電阻，但當門極電阻增加時，IGBT的開通與關斷時間增加，進而使每脈沖的開通能耗EON和關斷能耗EOFF也增加，所以綜合考慮本電路采用51Ω。

圖2功率變換部分電路圖

5kW高穩(wěn)定度電源模塊概述

5功率變壓器

功率變壓器是開關電源的“心臟”，它的選材、計算及繞制方法等，將關系到所設計開關電源的成敗及性能的好壞，必須給予高度重視。無論是處于主充還是浮充狀態(tài)，當電網(wǎng)輸入電壓最低，穩(wěn)壓電源輸出滿載時，變壓器必須仍能滿足穩(wěn)壓系統(tǒng)的正常工作。

6濾波電路輸出電感的設計

設計一個合理的輸出電感，不僅可以使開關電源的體積減小，節(jié)約原材料，使之具有市場競爭力，而且更重要的是，它既可以存儲能量，以便在開關功率管截止或“死區(qū)”時間內(nèi)，能夠給負載提供連續(xù)不斷的電流；又能使輸出的直流電壓更平滑，使輸出電壓紋波能夠達到比較理想的指標。為了使濾波效果顯著，可以增加線圈的匝數(shù)，為了減少熱效應和趨膚效應，線圈繞制時采用多股銅線并繞或采用紫銅帶繞制，層與層之間用0.1mm厚的高強度聚脂薄膜絕緣。所有繞組均要緊密繞制并做浸漆處理。7最大電流法自動均流

本電源可以多機并聯(lián)同時運行，并聯(lián)方式采用自動設定主模塊和從模塊的方式，即在N個并聯(lián)的模塊中，輸出電流最大的模塊，將自動成為主模塊，而其余的模塊則為從模塊，它們的電壓誤差依此被整定，以校正負載電流分配的不均衡，又稱為“自動主從控制法”。具體實現(xiàn)由單片機部分來完成，如圖3所示。

在圖3中，均流母線上的電壓Ub反映的是并聯(lián)各模塊中的最大值。由于二極管的單向性，只有對電流最大（電壓最高）的模塊，二極管才導通，a點電壓方能通過它與均流母線相連。設正常情況下，各模塊分配的電流是均衡的。如果某個模塊電流突然間增大，成為N個模塊中電流最大的一個，于是其輸出電壓最高，該模塊便自動成為主模塊，其它各模塊成為從模塊，這時候，Ub=Uimax，而各從模塊的Ui與Ub(即Uimax)比較，通過調(diào)整放大器調(diào)整基準電壓，自動實現(xiàn)均流。需要說明的是，由于二極管總有正向壓降，因此，主模塊的均流會有誤差，而從模塊的均流則是較好的。

8設置保護

開關電源在工作中，尤其是大功率的，當有異?，F(xiàn)象發(fā)生時，能否實現(xiàn)自身保護，將決定它的可靠性和是否具有適用性。本電源設有輸入過壓、輸入欠壓、輸出欠壓、溫度、及過流保護。各種保護均通過單片機進行分析處理，大大提高了保護動作速度，從而避免了采用模擬電路實現(xiàn)保護所造成的動作速度慢的問題，電源的可靠性就自然而然地提高了。此種保護模式，很容易解決主逆變橋共態(tài)導通的問題。有故障時，保護動作，電源沒有輸出，當故障消失后，電源自動恢復工作。

9主要技術指標

交流輸入電壓三相380（1±20％）V50Hz不分相序

輸出直流電壓0～300V

輸出直流電流0～20A

穩(wěn)壓穩(wěn)流精度≤0.01％

效率≥95％

運行方式100％連續(xù)

10結語

通過采用IGBT功率模塊研制的大功率開關電源，不僅電源體積減小，電路簡單，而且成本下降、性能可靠、維護方便、操作簡單。

參考文獻

[1]胡存生,胡鵬.集成開關電源的設計制作調(diào)試與維護[M].

北京:人民郵電出版社,1995.