基于PC40EE25的開關(guān)隔離電源設(shè)計

引言

　　根據(jù)《太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)研制技術(shù)協(xié)議》的規(guī)定， 接入太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的電池陣列在最強光照的情況下的開路電壓將不能超過750 V，最低不低于120 V。本文介紹的開關(guān)電源就是在120～750 V的輸入電壓范圍內(nèi)能穩(wěn)定地輸出， 從而使太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)能在協(xié)議規(guī)定的輸入范圍內(nèi)穩(wěn)定地為低壓控制器、IGBT驅(qū)動器以及LCD供電， 并使系統(tǒng)可靠地工作。
 

　　1 電路拓撲

　　本設(shè)計的電路拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示， 圖中，當VT1和VT2同時導(dǎo)通時， DC電源和變壓器初級組成回路， 變壓器初級的電流上升， 變壓器的磁通密度從初始的剩余磁通Br上升到峰值Bw， 并將能量存儲在變壓器中， 這時， 由于次級的二極管VD3的截止作用， 使得變壓器不能向次級傳送能量； 而當VT1和VT2同時關(guān)斷的時候， 由于反激的作用， 變壓器初級的電壓反向， 鉗位二極管VD1和VD2導(dǎo)通， 以把原邊繞組的反激電壓和開關(guān)管上的電壓鉗制在電源電壓Vdc。此時， 存儲在變壓器的能量一部分向副邊傳遞， 另一部分通過鉗位二極管返回給電容C1和C2。因而在反激時間內(nèi)， 變壓器的磁通密度從峰值Bw下降到剩余磁通Br。經(jīng)過一段時間， VT1和VT2又同時開通，以進入下一個周期。整個電路通過連續(xù)地開關(guān)VT1和VT2， 就可以得到穩(wěn)定的直流輸出。

圖1 雙管反激式拓撲結(jié)構(gòu)

　　由于實際電路的分布參數(shù)以及開關(guān)管VT1和VT2的屬性并非完全相同， 所以， VT1和VT2不是完全同時開關(guān)。當VT1先關(guān)斷時， 變壓器初級T1、VT2和VD2組成回路續(xù)流， 而當VT2關(guān)斷時，變壓器儲存的能量將向次級傳送； 同理， 當VT2先關(guān)斷， 變壓器初級T1、VT1和VD1將組成回路續(xù)流， 并當VT1關(guān)斷時， 變壓器存儲的能量向次級傳送。

　　與一般采用單管加控制芯片的開關(guān)電源不同的是， 本設(shè)計采用了上下兩個MOSFET， 這樣做的目的一是可以降低每個開關(guān)管上承受的電壓，二是兩個開關(guān)管不需要采用兩個控制芯片來控制， 而只用一個PWM波就可以實現(xiàn)兩個開關(guān)管的同時開通和關(guān)斷。

　　圖2所示是本設(shè)計的主電路圖， 圖中， D1和D2主要防止由于反激電壓串入DC電源引起DC電壓波動， R1和R2取值相同， C1和C2的容值屬性均相同， 這樣一方面可以平衡C1和C2上的電壓，另一方面可以降低C1的C2的耐壓。VT1和VT2共用一個驅(qū)動信號， 故可實現(xiàn)同時開通和關(guān)斷。R3為采樣電阻， 該主電路采用的是峰值電流控制模式。VT4的作用主要是外加保護。輔助繞組的設(shè)計主要是為控制電路供電。次級整流二極管后加π型濾波器的效果要比只用電容濾波更好， R4為假負載， 主要是防止開關(guān)電源的空載。R5， R6，tl431， pc817和R7共同組成反饋電路。

圖2 主電路圖[!--empirenews.page--]控制電路的設(shè)計 #e#

　　2 控制電路的設(shè)計

　　本設(shè)計采用SG*1高集成環(huán)保模式PWM控制器， 該控制器采用電流模式(逐周期電流限制)的工作方式， 可以實現(xiàn)軟驅(qū)動圖騰柱輸出的可調(diào)控的PWM波形， 其輸出電壓可達18 V， 足以同時驅(qū)動兩路MOSFET。本設(shè)計還在PWM輸出端設(shè)計了一個信號耦合變壓器， 這樣可用同一個PWM信號來控制兩個MOSFET， 使Q1和Q2同時開通和關(guān)斷， 還可以實現(xiàn)驅(qū)動MOSFET信號的隔離。另外，該控制器也可以提供欠壓鎖定和過溫保護功能，當VDD小于10 V時， 控制器內(nèi)部將鎖定， 不再向外發(fā)送PWM波。

　　本設(shè)計采用負載繞組給控制芯片SG*1供電， 從主電路可知， 輔助繞組和次級繞組處在相同的工作方式下， 這在設(shè)計變壓器的時候只要根據(jù)次級輸出就可以確定輔助繞組的設(shè)計。應(yīng)當注意的是， 在雙管反激電路中， 兩個開關(guān)管中間有一個懸浮地， 因而不能直接驅(qū)動， 所以， 這里采用變壓器隔離驅(qū)動方法來使VT1和VT2公用同一驅(qū)動信號。

　　圖3所示是本設(shè)計的控制芯片電路及驅(qū)動電路， 圖中， R3接在直流電壓DC端主要用來啟動，當流入3腳的電流足夠啟動芯片的時候， 芯片8腳Gate輸出PWM波， 從而使主電路導(dǎo)通， 電源開始工作。R4主要確定芯片輸出PWM波的頻率， R5和C5組成電流采樣的匹配網(wǎng)路。由于芯片采用逐周峰值電流工作方式， 故在初級線圈電流達到峰值時， 芯片將關(guān)斷PWM波， 變壓器向次級傳送能量。

圖3 控制芯片電路及驅(qū)動電路

　　圖4所示是其系統(tǒng)中的輸入欠壓和輸出過壓保護電路。由于本開關(guān)電源設(shè)計采用了輸入過壓和輸入欠壓保護， 故當輸入高于750 V或低于120V時， 比較器的2腳電壓值會高于2.5 V或比較器的5腳會低于2.5 V， 本設(shè)計采用精密可調(diào)線性穩(wěn)壓器TL431來產(chǎn)生2.5 V的基準源， 并分別給比較器的3腳和6腳供電， 這樣， 在比較器的1腳或7腳就會產(chǎn)生低電平， Q5由于基級電壓過低而截止，線性光耦U5的發(fā)光二極管不能發(fā)光。這時， 由于Q4S接到輸出儲能電容上， Q4G和Q4S不能組成通路， 所以， 加在Q4管的GS間的電壓Ugs為零， 開關(guān)管Q4關(guān)斷， 電源不能向后面負載供電， 從而實現(xiàn)欠壓和過壓保護功能。

圖4 輸入欠壓和輸出過壓保護電路

　　3 電路變壓器的設(shè)計

　　采用兩個開關(guān)管串聯(lián)不會影響主電路中變壓器的設(shè)計， 故可根據(jù)《開關(guān)電源設(shè)計指南》中相關(guān)介紹來計算變壓器參數(shù)， 本設(shè)計選用TDK公司的PC40EE25高頻磁性材料作為鐵芯， 變壓器的參數(shù)計算如下：

　　初級線圈的峰值電流：

　　變壓器的有效功率：

　　式中， Ac為有效磁芯面積， 單位為cm2， Bmax為最大磁通密度， 單位為G (高斯Wb/cm2)。[!--empirenews.page--]4 實驗結(jié)果

　　目前， 筆者采用該技術(shù)成功地設(shè)計出了一種輸入范圍為120～800 V， 輸出功率為20 W的輔助開關(guān)電源。

　　本設(shè)計采用直流120～800 V輸入， 輸出單路為20 V/1 A， 其實驗的工作頻率f為100 kHz， 主變壓器選用PC40 EE25高頻磁芯， 驅(qū)動隔離變壓器選用T57 R12.5×7.5×5高頻脈沖變壓器磁芯， 主開關(guān)VT1 和VT2 選用APT 4M120K N溝道MOSFET，鉗位二極管VD1和VD2選用HER308肖特基二極管， 整流二極管VD3選用CQ504， 保護電路開關(guān)管VD4選用IRF9640 P溝道MOSFET。

　　5 結(jié)束語

　　實驗證明， 由于本設(shè)計采用了反激式拓撲結(jié)構(gòu)， 因此， 電路工作穩(wěn)定度好。這種結(jié)構(gòu)的特點是整個電路使用元器件少， 本身固有效率高(典型效率為80%)， 采用單片開關(guān)控制， 整體設(shè)計比較經(jīng)濟， 又因為和主功率回路分開， 從而避免了相互干擾， 提高了可靠性。