【導(dǎo)讀】本文介紹的開關(guān)電源即適合單相供電，也適合三相供電。是如何設(shè)計(jì)做到的呢？ 主要是該設(shè)計(jì)中的整流電路參數(shù)是按照單相設(shè)計(jì)，對(duì)于三相供電就增加了穩(wěn)定性。解決開關(guān)電源因供電電源局限的矛盾的同時(shí)，還可以實(shí)現(xiàn)單相、三相均可供電。
本文將介紹的開關(guān)電源比較切合實(shí)際應(yīng)用。因?yàn)檎麟娐返膮?shù)設(shè)計(jì)是按單相考慮的，用在三相供電時(shí)有充分的裕度，故使系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠；用在單相供電時(shí)同樣能正常工作。這就解決了開關(guān)電源因供電電源局限的矛盾。用這種方法，亦可對(duì)現(xiàn)有的開關(guān)電源作改造，使其成為單相、三相均可供電的開關(guān)電源。
電源敘述
1、電源主要性能
電源的最高輸出功率P0為2.8KW，輸出額定電壓U0為28V，設(shè)計(jì)工作開關(guān)頻率為20KHZ。
2、輸入電路結(jié)構(gòu)
為了盡可能簡(jiǎn)化電路，在三相供電的控制方案基礎(chǔ)上，采用外帶變壓器的方法，實(shí)現(xiàn)單相供電。其原理電路如圖1所示。三相電源供電時(shí)，A、B、C分別接三根火線；單相供電時(shí)，增加一個(gè)附屬單相升壓變壓器，其原邊接至電源，A、B、C任意兩端接至單相變壓器付邊，利用原整流電路的兩對(duì)二極管作單相全波整流，另一對(duì)二極管與EMI電路斷開。
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3、主電路結(jié)構(gòu)
從功率容量和盡可能降低開關(guān)電源裝置的損耗和制作成本考慮，主電路采用了主開關(guān)元件為IGBT的全橋PWM變換電路。電路如圖2所示。
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4、控制電路
PWM控制電路采用的是UC3846。其應(yīng)用電路主要部分如圖3(a)所示，腳1所接R1、R2,決定初級(jí)限流值，并決定當(dāng)過電流時(shí)器件是閉鎖還是重新運(yùn)行。CS+和CS-兩端接過流信號(hào)，實(shí)施過流、過壓自動(dòng)保護(hù)。EA+和EA-兩端是內(nèi)部誤差放大器輸入端，接受來自輸出電壓和輸出電流的誤差信號(hào)，以實(shí)行導(dǎo)通/短開時(shí)間的控制，達(dá)到PWM占空比控制的目的。腳16SHUTDOWN端是封鎖輸出脈沖的接線端，接收過流、過壓封鎖信號(hào)，腳8和腳9外接決定開關(guān)頻率的電阻RT和電容CT。控制輸出端Bout(14腳)和Aout(11腳)分別接D觸發(fā)器的置“1”端和置“0”端，通過觸發(fā)器的延時(shí)翻轉(zhuǎn)，在滯后橋臂上得到滯后超前臂開關(guān)信號(hào)一些時(shí)間的開關(guān)信號(hào)，通過主電路的軟開關(guān)電路實(shí)現(xiàn)ZVS和ZCS。S1-S4是輸出到IGBT驅(qū)動(dòng)電路的控制信號(hào)，如圖3(b)所示是一個(gè)IGBT的驅(qū)動(dòng)電路。
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電路參數(shù)計(jì)算
對(duì)元件和參數(shù)作一個(gè)計(jì)算。開關(guān)頻率及PWM控制脈沖寬度(占空比)是輸出穩(wěn)定性高低的關(guān)鍵，IGBT和高頻整流快速恢復(fù)二極管是電源工作恢復(fù)高低的關(guān)鍵。
1、開關(guān)頻率及占空比的計(jì)算
為了計(jì)算這兩個(gè)參數(shù)，先設(shè)計(jì)高頻變壓器的匝比為10：1。因?yàn)殡娫摧敵鲭妷篣0為28V，所以高頻變壓器輸入端的平均電壓US’應(yīng)為280V。由DC- DC變換原理可知：Us，/ Ud =D/T， 而Ud=1.35UL，式中：UL---- 三相供電線有效值(380V)，所以，D/T=280/513=0.545=0.55，由于是全橋式變換，所以每組開關(guān)的占空比Dp=D /2*T=0.2757T圖4-a所示為一組開關(guān)的工作波形示意圖。
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綜合對(duì)電源可靠性要求高，對(duì)電源體積要求較高等因素,確定開關(guān)電源頻率為20KHZ，容易算出最小死區(qū)時(shí)間為11.25µs。
可見，有這樣大的死區(qū)時(shí)間，可以保證在輸入電壓有較大波動(dòng)情況下仍能使輸出穩(wěn)定不變。
2、IGBT的選擇
對(duì)IGBT的選擇，主要考慮正常工作時(shí)流過IGBT的電流有效值、平均電流和反向電壓Uces。因?yàn)橄箝_關(guān)損耗發(fā)熱、工作條件嚴(yán)酷等因素都不能忽略，所以選擇時(shí)，其元件的參數(shù)應(yīng)取2倍以上安全系數(shù),。由于是全橋式電路，且高頻變壓器變比為10 : 1 ,次級(jí)輸出電流為連續(xù)的100A電流，所以流過變壓器初級(jí)電流平均值IL(av)應(yīng)為10A，流過每個(gè)IGBT的穩(wěn)定電流波形如圖4-b所示，其電流計(jì)算如下：
因?yàn)?6
所以IGBT的穩(wěn)態(tài)幅值電流為: 7
IGBT電流的有效值為：8
在器件手冊(cè)中，給出的IGBT元件參數(shù)額定電流是直流連續(xù)平均電流，而在實(shí)際工作中，IGBT的過流損壞一般是熱效應(yīng)引起的。所以綜合成本和可靠性問題，常常選IGBT的額定電流大于工作電流有效值IT兩倍以上。電路中，每個(gè)開關(guān)元件的工作電壓均為電源電壓Ud，即Uces=Ud=513V，所以 IGBT的耐壓應(yīng)選擇1000V以上。
3、次級(jí)整流二極管的選擇
分析計(jì)算方法同IGBT的選擇。流過二極管的峰值電流180A，平均電流IDav=50A，有效值電流ID=95A，所以選擇IFav=200A，VRRM.≥100V的快速恢復(fù)二極管。
4、輸入整流電路及附加單相升壓變壓器的確定
因?yàn)橛扇喙╇姇r(shí)，Ud=1.35UL=1.35×1.707×UP。為了保證單相供電時(shí),開關(guān)電源輸出不變，顯然，此時(shí)須有Ud’= Ud=1.35×1.707×UP。由單相全波整流原理知，其整流輸出電壓Ud’是整流輸出電壓有效值UX的1.1～1.2倍.所以由上式有: ( 1.1～1.2)UX=1.35×1.707×UP,其中UP是相電壓。
所以，選擇整流電路，其耐壓值比三相時(shí)選高一些，同時(shí)，整流電流值也應(yīng)比三相時(shí)大一些，一般選擇大三分之一即可。變壓器的匝比設(shè)計(jì)為1:2 即可滿足要求。
PWM電路的選擇
文章選擇UC3846雙輸出電流型PWM控制器集成電路。該電路在開關(guān)頻率為20KHZ時(shí)，其最大占空比可達(dá)50%，所以它的控制是有效和穩(wěn)定的。
IGBT的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)
IGBT的工作是由其柵極電壓的正負(fù)來控制的，當(dāng)UGE>0時(shí)，IGBT導(dǎo)通，當(dāng)UGE<0時(shí)，(一般UGS≤-5V )，IGBT截止。考慮到它的特點(diǎn)和工作原理，選用了由正負(fù)雙電源供電的M57962L型專用驅(qū)動(dòng)集成電路。該電路有內(nèi)藏定時(shí)邏輯短路保護(hù)電路，并且有保護(hù)延時(shí)功能。驅(qū)動(dòng)保護(hù)原理電路如圖3(b)所示。對(duì)IGBT除驅(qū)動(dòng)電路本身提供的短路(過流)保護(hù)功能外，在IGBT上并聯(lián)RC緩沖支路和電源兩端并聯(lián)吸收電容也是效果明顯的方法。
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