低壓大電流直直變換器的設(shè)計(jì)

1.引言

??? 開關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開關(guān)晶體管開通和關(guān)斷的時(shí)間比率，維持穩(wěn)定 輸出電壓的一種電源。從上世紀(jì)9O年代以來開關(guān)電源相繼進(jìn)入各種電子、電器設(shè)備領(lǐng)域，計(jì) 算機(jī)、程控交換機(jī)、通訊、電子檢測(cè)設(shè)備電源、控制設(shè)備電源等都已廣泛地使用了開關(guān)電源。 隨著電源技術(shù)的發(fā)展，低電壓，大電流的開關(guān)電源因其技術(shù)含量高，應(yīng)用廣，越來越受到人 們重視。在開關(guān)電源中，正激式和反激式有電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，輸入輸出電氣隔離等優(yōu)點(diǎn)， 廣泛應(yīng)用于中小功率電源變換場(chǎng)合。與正、反激式相比，推挽式變換器變壓器利用率高，輸 出功率較大，而且由于使用MOS管,基本不存在勵(lì)磁不平衡的現(xiàn)象。因此，一般認(rèn)為推挽式變 換器適用于低壓，大電流，功率較大的場(chǎng)合。

2.基本推挽變換技術(shù)

??? 推挽式直直變換器的電路結(jié)構(gòu)如圖1（a）所示,波形如圖1(b）所示。推挽式逆變器將直 流電壓變換為交流方波加在高頻變壓器的原邊，在隔離變壓器的副邊只有一個(gè)二極管壓降。 當(dāng)開關(guān)管1 S 導(dǎo)通時(shí)，二極管1 D 承受正壓而導(dǎo)通，而2 D 由于反向偏置而截止；因此，

3 電路的設(shè)計(jì)

3.1 主電路的設(shè)計(jì)

??? 開關(guān)電源的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示，詳細(xì)參數(shù)如下：輸入電壓為12(1±10％)V，輸 出電壓為24V，輸出電流為12A，工作頻率為33kHz。主電路采用的是推挽型電路，主開關(guān)管 用的是IRFP064N,在主電路上輸入端有兩個(gè)1000uF／50V并聯(lián)的輸入濾波電容,在輸入的電路 的正級(jí)接有一個(gè)2.2uH的輸入濾波電感（電感取值與輸出濾波電感一樣）。電路中變壓器的 設(shè)計(jì)跟一般變換器所用變壓器設(shè)計(jì)類似，只需注意繞線方式和銅線選擇，由于本變換器的電 流過大，故采用多股細(xì)線并繞的方式。

???? 在輸出端用的是同步整流技術(shù)，在低電壓大電流功率變換器中，若采用傳統(tǒng)的普通二 極管或肖特基二極管整流由于其正向?qū)▔航荡?低壓硅二極管正向壓降約0.7V，肖特基二 極管正向壓降約0.45V，新型低電壓肖特基二極管可達(dá)0.32V)，整流損耗成為變換器的主要 損耗，無法滿足低電壓大電流開關(guān)電源高效率，小體積的需要。MOSFET導(dǎo)通時(shí)的伏安特性為 一線性電阻，稱為通態(tài)電阻 RDS ，低壓MOSFET新器件的通態(tài)電阻很小，如： IRF2807(75V,82A)、IRL2910(100V,55A)通態(tài)電阻分別為0.013Ω、0.O26Ω，它們?cè)谕ㄟ^20A 電流時(shí)，通態(tài)壓降不到0.2V。另外，功率MOSFET開關(guān)時(shí)間短，輸入阻抗高，這些特點(diǎn)使得MOSFET 成為低電壓大電流功率變換器首選整流器件。

??? MOSFET的柵-源問的硅氧化層耐壓有限，一旦 被擊穿則永久損壞，所以實(shí)際上柵-源電壓最大值在50-75V之間，如電壓超過75V，應(yīng)該在柵 極上接穩(wěn)壓管.并從成本綜合考慮，選用IRF2807。需要特別指出的是圖中MOS管做為整流 管的接法,有，有些讀者可能會(huì)認(rèn)為接法有誤，這是由于普通的參考用書沒有描述電力MOSFET的正柵壓反向輸出特性。實(shí)際上，電力MOSFET除需要介紹非飽和區(qū)、飽和區(qū)和截 止區(qū)外，還應(yīng)考慮反向電阻區(qū)，反向電阻區(qū)與正向電阻區(qū)有相類似的溝道特性。這是由于變 壓器二次側(cè)電壓為交變方波，整流管要承受反壓但電力MOSFET是逆導(dǎo)器件，若工作在正向 電阻區(qū)將無法整流。

???? 在電壓輸出部分，使用了LC濾波電路，電感電容參數(shù)是根據(jù)LC濾波中K式濾波器濾波 特性曲線及計(jì)算公式計(jì)算出來的,并在實(shí)驗(yàn)后做了調(diào)整。（K式濾波是指串臂阻抗和并臂阻抗 的乘積是一個(gè)不隨頻率變化的常數(shù)，量綱為電阻）

3.2 控制電路的設(shè)計(jì)

??? 控制電路選用SG3525芯片，它是美國(guó)硅通用半導(dǎo)體公司（Silicon General）推出的用 于驅(qū)動(dòng)N溝道功率MOSFET的電流控制型PWM控制器，它具有很高的溫度穩(wěn)定性和較低的噪聲等 級(jí)，具有欠壓保護(hù)和外部封鎖功能，能方便地實(shí)現(xiàn)過壓過流保護(hù)，能輸出兩路波形一致、相 位差為180°的PWM信號(hào)，有效地減少輸出電流的紋波，適合于推挽拓?fù)潆娐?。?a target="_blank">控制芯片 SG3525出來的兩路控制信號(hào)分別用來控制一個(gè)IRFP064N,達(dá)到了驅(qū)動(dòng)兩個(gè)開關(guān)管的目的,且 二者電流方向相反。

??? 控制電路使用了閉環(huán)控制方式令輸出電壓保持恒定，由檢測(cè)到的電壓經(jīng)過光耦隔離后傳 到SG3525與一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，以此來調(diào)整占空比并相應(yīng)調(diào)整輸出電壓,如圖3反饋電壓的 檢測(cè),光耦選用7840不但起到了隔離作用使輸出電壓與輸入成比例變化。由于芯片所需電源 不能由輸入電源直接提供，所以特用了兩個(gè)直流穩(wěn)壓小芯片來提供電源，基準(zhǔn)源要求穩(wěn)定的 電壓，在SG3525本身所提供的穩(wěn)壓輸出的基礎(chǔ)上再通過一個(gè)TL431的穩(wěn)壓，經(jīng)過測(cè)量完全達(dá) 到要求。

??? 在輸出整流電路中，當(dāng)整流管Q3的受正向電壓導(dǎo)通時(shí)，應(yīng)及時(shí)驅(qū)動(dòng)Q3導(dǎo)通，以減小壓降 和損耗。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和波形分析

????圖5是推挽電路兩路門極脈沖波形（示波器幅值*10），兩個(gè)脈沖基本是相互對(duì)稱的，方 向相反則勵(lì)磁方向相反可以避免勵(lì)磁不平衡，電路此時(shí)工作在Vi =11V左右。圖5為變壓器輸 出電壓，也就是同步整流管Q3和Q4的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，由圖可以看出上下兩個(gè)波形是對(duì)稱的,說明 他們是分別只有為正的時(shí)刻才導(dǎo)通。在實(shí)驗(yàn)室里用示波器測(cè)出了輸出電壓的波形,紋波并不 大,完全能達(dá)到電器類電源的要求。實(shí)驗(yàn)所得波形和分析的波形基本吻合，只是在開關(guān)轉(zhuǎn)換 瞬間， 電壓有小尖峰，這是由電路的雜散參數(shù)引起的。該電路的工作效率經(jīng)過測(cè)量大約在 90％左右，基本達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。

5 結(jié)語

??? 仿真分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了理論分析和公式推導(dǎo)的正確性，表明推挽正激電路應(yīng)用于該 變換器中具有以下優(yōu)點(diǎn)：

??? 1）抑制了開關(guān)管漏源極電壓尖峰，降低了開關(guān)管的電壓應(yīng)力和功率損耗，整機(jī)效率高。

??? 2）變壓器雙向磁化，磁芯利用率高。

??? 3）輸入電流紋波安秒積分較其它拓?fù)湫?，減小了輸入濾波器體積。

??? 4）輸出在經(jīng)過LC 濾波后，輸出的波形振幅很小。

??? 本文作者創(chuàng)新點(diǎn)為:利用推挽技術(shù)使變換器變壓器利用率高，輸出功率較大，而且由于使 用MOS管,基本不存在勵(lì)磁不平衡的現(xiàn)象，在輸出部分使用了同步整流技術(shù)，減少了電壓在整 流管上的損耗，提前了整個(gè)變換器的效率，使用了LC濾波，基本消除了高次波的污染。