高頻開關(guān)電源教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺的設(shè)計(jì)

丘東元,段振濤,張 波,王學(xué)梅,肖文勛

(華南理工大學(xué) 電力學(xué)院,廣東 廣州 510640)

開關(guān)電源是一種常用的電力電子產(chǎn)品,具有效率高、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)[1-3],本文針對實(shí)驗(yàn)教學(xué)的特點(diǎn),設(shè)計(jì)并制作了一套基于雙管單端正激變換器的高頻開關(guān)電源教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺,用于開關(guān)電源教學(xué)實(shí)驗(yàn)。該平臺一方面是對“電力電子技術(shù)”課程實(shí)驗(yàn)的補(bǔ)充,有利于學(xué)生全面了解和掌握開關(guān)電源的構(gòu)成和工作原理;另一方面為對電源設(shè)計(jì)感興趣的學(xué)生可以參照實(shí)驗(yàn)平臺,獨(dú)立完成一個(gè)開關(guān)電源產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與制作,加強(qiáng)本科生應(yīng)用創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

1 開關(guān)電源實(shí)驗(yàn)平臺的設(shè)計(jì)

1.1 主電路拓?fù)涞倪x擇

根據(jù)開關(guān)管的數(shù)量,開關(guān)電源的拓?fù)淇梢苑譃橐韵聨追N類型:單管類有正激式變換器和反激式變換器;雙管類有雙管正激變換器、雙管反激變換器、推挽變換器和半橋變換器;四管類只有全橋變換器[4,5]。其中,反激式變換器的電路結(jié)構(gòu)簡單,元器件數(shù)目較少,成本低廉,廣泛應(yīng)用于高電壓、小功率場合(電壓不大于5000V,功率小于15W);而正激式變換器的控制簡單,變壓器利用率高于反激方式,廣泛應(yīng)用于直流輸入電壓范圍為60～200V、輸出功率范圍為150～200W的場合;推挽式變換器通常存在變壓器磁通不平衡問題,且輸出功率和輸入電壓范圍較窄,因此不會(huì)直接用作由電網(wǎng)供電的變換器;半橋式電路的變壓器利用率較高,且具有抗不平衡能力,晶體管耐壓要求較低,最大輸出功率約為400～500W;全橋型電路施加于變壓器及晶體管上的電壓與輸入直流電壓相等,變壓器的利用率較高,適合大功率場合使用。

教學(xué)實(shí)驗(yàn)電源一般采用AC220V市電供電,市電經(jīng)整流后直流電壓約為311V,其所用負(fù)載通常為200W以下的中小功率負(fù)載,如電阻和直流電機(jī)等[6]。結(jié)合教學(xué)實(shí)驗(yàn)的實(shí)際需求,本文設(shè)計(jì)的開關(guān)電源實(shí)驗(yàn)平臺選擇正激式變換器作為基本拓?fù)洹?/p>

1.2 電路的工作原理

雙管單端正激變換器的原理圖如圖1所示,其特點(diǎn)是使用兩個(gè)開關(guān)管,且兩個(gè)開關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷。當(dāng)兩個(gè)開關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通時(shí),輸出端整流二極管導(dǎo)通,變壓器向負(fù)載傳輸電能;當(dāng)兩個(gè)開關(guān)管同時(shí)關(guān)斷時(shí),輸出端整流二極管關(guān)斷,續(xù)流二極管導(dǎo)通向負(fù)載供電,同時(shí)變壓器初級續(xù)流二極管導(dǎo)通,從而將變壓器儲能回饋到輸入端直流母線。由于初級續(xù)流二極管的箝位作用,每個(gè)開關(guān)管僅承受一倍直流輸入電壓,僅為單管單端正激變換器開關(guān)管的一半,且關(guān)斷時(shí)不會(huì)出現(xiàn)漏感尖峰。因此,雙管單端正激變換電路有效地解決了單管單端正激變換器中功率開關(guān)管電壓應(yīng)力較高的問題,在應(yīng)用于輸入直流電壓為311V的場合時(shí),開關(guān)管的選型將會(huì)容易很多,成本也會(huì)更低。

雙管變換器如圖1所示。工頻交流220V市電經(jīng)整流橋和濾波電容Cin得到較為平滑的高壓直流電,且濾波電容Cin同時(shí)吸收了本機(jī)產(chǎn)生的雜波以避免其污染公共電網(wǎng)。開關(guān)管S1和S2組成的逆變器將高壓直流電轉(zhuǎn)換為高頻脈沖,經(jīng)高頻變壓器T1進(jìn)行降壓,最后通過輸出整流濾波環(huán)節(jié)得到平滑的直流電壓輸出[7]。電感L和電容Co構(gòu)成輸出濾波環(huán)節(jié),保證輸出電壓紋波滿足設(shè)計(jì)要求。具體采用如下的工作過程。

1)在t0時(shí)刻同時(shí)開通S1和S2,變壓器原邊電壓up升至輸出直流電壓Uin,初級電流ip流經(jīng)S1、W1和S2,并開始線性上升,續(xù)流管D1和D2截止。次級整流管D3導(dǎo)通,續(xù)流管D4截止,原邊給負(fù)載供電。

圖1 雙管單端正激變換器

2)在 t1時(shí)刻S1和S2同時(shí)關(guān)斷,由于變壓器原邊繞組線圈上的電流不能突變,原邊繞組上產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢使得up迅速下降,此時(shí)續(xù)流管D1和D2導(dǎo)通,將 up幅值箝位于Uin,ip流經(jīng) D1、W1、D2將變壓器儲能回饋給輸入端[8],且ip開始線性下降。次級整流管D3截止,續(xù)流管D4導(dǎo)通續(xù)流給負(fù)載供電。

3)在t2時(shí)刻up的幅值從Uin開始線性減小,ip線性下降的速率減緩,仍流經(jīng) D1、W1、D2向輸入端回饋電能,次級狀態(tài)不變。

4)在t3時(shí)刻ip線性下降到0,up的幅值繼續(xù)線性減小但是速率變慢,直至up的幅值下降到0。次級整流管D3仍然截止,續(xù)流管D4繼續(xù)導(dǎo)通續(xù)流給負(fù)載供電。

5)在t4時(shí)刻S1和S2同時(shí)開通,下一周期開始。

1.3 控制電路和驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

美國Unitrode公司生產(chǎn)的UC3842是一款電流型PWM集成控制IC,其誤差放大器E/A補(bǔ)償電路簡化,頻響特性好,穩(wěn)定幅度大,過流限制特性好,過壓保護(hù)和欠壓鎖定功能完善。本文選擇UC3842作為控制IC,其外部電路設(shè)計(jì)如圖2所示。其中C11和R15組成UC3842內(nèi)部誤差放大器的RC補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò);R20和R21構(gòu)成分壓電路,獲取合適的反饋電壓送到誤差放大器反相輸入端;變壓器 T3,二極管 D8、D9,電阻 R11、R12、R13和電容 C10共同構(gòu)成電流反饋環(huán)節(jié),R14為斜坡補(bǔ)償電阻;電阻RT和電容CT則共同決定了UC3842內(nèi)部振蕩器的振蕩頻率。

圖2 控制電路原理圖

由于UC3842提供的PWM脈沖功率很小,不足以直接驅(qū)動(dòng)開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷。因此本文設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路采用推挽式加變壓器隔離的組合,如圖3所示。推挽式結(jié)構(gòu)可以將輔助電源提供的直流12V轉(zhuǎn)化為與UC3842輸出的PWM脈沖同頻率的脈沖波形。由于本設(shè)計(jì)采用的開關(guān)管IRF840的開啟電壓為14V左右,故設(shè)計(jì)了隔離變壓器T2,其有兩個(gè)相同的次級繞組,通過選擇適當(dāng)?shù)淖儔浩髯儽?即可產(chǎn)生兩路彼此隔離的驅(qū)動(dòng)信號,用以驅(qū)動(dòng)上下兩只開關(guān)管。

圖3 驅(qū)動(dòng)電路原理圖

1.4 測試點(diǎn)的設(shè)置

綜上所述,本文所設(shè)計(jì)的高頻開關(guān)電源教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺的電路圖如圖4所示。為了在實(shí)驗(yàn)中能夠方便地測量所需的波形,充分理解和掌握雙管單端正激式變換器的工作原理,本設(shè)計(jì)在硬件電路中設(shè)置了多個(gè)測試點(diǎn),大大提高了該教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺的實(shí)用性。

圖4 高頻開關(guān)電源教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺的電路圖

通過這些測試點(diǎn),可以方便地測得變換器的整流輸入電壓波形uin(測試點(diǎn)A&G)、開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)波形uGS(測試點(diǎn)B&G)、高頻變壓器初次級電壓波形up和us(測試點(diǎn)C&D和E&F)、輸出電壓波形uo(測試點(diǎn)H&G')以及控制電路和驅(qū)動(dòng)電路中各個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的電壓波形,從而使學(xué)生直觀地掌握電源的工作過程和運(yùn)行狀況。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)以上設(shè)計(jì)方案,筆者成功制作了一套基于雙管單端正激變換器的高頻開關(guān)電源教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺,該電源的工作頻率為200kHz,額定輸出電壓12V,最大輸出電流4A。正常運(yùn)行時(shí),通過預(yù)留的測試點(diǎn)可以很方便地測得各關(guān)鍵點(diǎn)的波形,見圖5。

圖5 測試點(diǎn)電壓波形

圖5(a)為交流電源經(jīng)整流濾波之后的電壓(uin)波形(測試點(diǎn)A&G)。由圖可知在額定負(fù)載狀態(tài)下該電壓波動(dòng)很小,十分穩(wěn)定,從而確保后續(xù)環(huán)節(jié)的安全運(yùn)行,提高電源的整體性能。圖5(b)和圖5(c)分別為變壓器T1的初、次級端電壓(up、us)波形?？梢娖渑c理論分析的波形基本相符。當(dāng)開關(guān)管S1和S2都開通時(shí),變壓器T1承受正向壓降,電能經(jīng)由變壓器傳輸?shù)捷敵黾?給負(fù)載供電;當(dāng)開關(guān)管S1和S2都關(guān)斷時(shí),變壓器T1承受反向壓降,次級整流二極管D5關(guān)斷,續(xù)流二極管D6導(dǎo)通續(xù)流,給負(fù)載供電,同時(shí)變壓器初級續(xù)流二極管D3、D4導(dǎo)通續(xù)流,將變壓器線圈中的電能回饋到直流側(cè),可在保障安全運(yùn)行的同時(shí)提高電能利用率。圖5(d)為該雙管單端正激開關(guān)電源的輸出電壓(uo)波形。由圖可見變壓器次級電壓經(jīng)過輸出整流二極管D5和濾波電感Lo、濾波電容Co之后,輸出電壓紋波很小,有利于負(fù)載性能的提升,并且可以有效延長其使用壽命。

3 結(jié)語

本文介紹了“電力電子技術(shù)”實(shí)驗(yàn)課程當(dāng)中一套雙管單端正激開關(guān)電源教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺的設(shè)計(jì)過程及其實(shí)驗(yàn)結(jié)果,該平臺已經(jīng)成功應(yīng)用于教學(xué)實(shí)驗(yàn)中。通過在該平臺上進(jìn)行教學(xué)實(shí)驗(yàn),有利于學(xué)生深化課本理論知識,同時(shí)也為有志于電源設(shè)計(jì)的學(xué)生提供了良好的實(shí)踐機(jī)會(huì),有利于提高學(xué)生的動(dòng)手能力,促進(jìn)本科生應(yīng)用創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。實(shí)踐證明,該裝置完全滿足設(shè)計(jì)要求,且是一種經(jīng)濟(jì)、易于檢測和維護(hù)的實(shí)驗(yàn)裝置,非常適合實(shí)驗(yàn)教學(xué)使用。

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