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大功率开关电源的设计
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大功率开关电源的设计

作者:admin   发布日期:2018-12-20 17:27   信息来源:http://www.51wyq.com/

1、引言

本文介绍和比较了电压型PWM控制器和电流型PWM控制器的优缺点,着重论述了电流型控制芯片UC3846在大功率全桥开关电源中的应用,并对电路进行具体的分析。

2、电压型和电流型PWM控制器

2.1、电压型PWM控制器

目前应用广泛的PWM控制器都是采用电压模式控制的,它只对输出电压进行采样,采样信号Vf作为反馈信号与基准电压vr在误差放大器中进行比较放大,得到误差信号Ve,ve和锯齿波信号比较后通过PWM比较器输出一系列高频脉冲来控制开关管的导通和截止,它的主要缺点是:响应速度慢,稳定性差,甚至在大信号变化时会产生振荡,造成功率管损坏等故障。

UC3846的大功率开关电源的设计

图1  电压控制型的原理图

2.2、电流型PWM控制器

针对上述电压型控制器的缺点,最近十几年发展起来电流型控制技术。图2所示的是电流控制型的原理图,它的工作原理是通过采用恒频时钟脉冲置位锁存器输出脉冲驱动功率管导通,电源回路中的电流脉冲逐渐增大,当电流在采样电阻Rs上的幅度达到Ue时,脉宽比较器状态翻转,锁存器复位,驱动撤除,功率管截止。这样逐个检测和调节电流脉冲,就可达到控制电源输出的目的。电流控制型是在电压反馈PWM控制环内部增加电流反馈的控制环节,由于存在电压环和电流环双环系统使得变换器的线电压调整率、负载调整率以及瞬态响应特性都有比较大的提高。但需要注意的是峰值电流控制型电路当电路占空比大于50%时,需要加入斜率补偿电路。

UC3846的大功率开关电源的设计

图2  电流控制型的原理图

3、脉宽调制芯片U03846的简介

UC3846最早是由unitrode公司推出的电流脉宽调制芯片,该芯片采用大电流图腾柱式双端输出,输出峰值电流可达500mA,能直接驱动场效应管,内置精密带隙可调基准电压、高频振荡器、误差放大器、差动电流检测放大器、欠电压锁定电路以及软启动电路,具有自动关断功能。其主要优点是功能齐全、自动前馈补偿、欠压保护、终端锁机保护,较好的负载响应特性。外围控制电路简单,工作频率高达500KHZ。最高输入电压为40V,基准电压输出典型值为5.1V,其内部结构框图如图3所示。

UC3846的大功率开关电源的设计

图3  UC3846内部框图

4、UC3846芯片的应用电路设计与具体分析

4.1、主电路的设计

本文电路的设计输出功率为1KW,因此主电路采用全桥式拓扑结构,如图4所示:

UC3846的大功率开关电源的设计

图4  主电路原理图

图4中G1,G2,G3,G4,和主变压器T1组成全桥式拓扑电路,这种拓扑结构的优点是主变压器只需要一个原边绕组,通过正反向的电压得到正、反向磁通,副边有两组中心抽头绕组采用全波整流输出,变压器的利用效率很高。缺点是需要设置一定的死区时间,防止上下两管直通。主变压器T1采用E55磁芯,材质为PC40,原边绕组匝数为25匝,副边绕组匝数为3匝,变压器不留气隙,在绕制的时候采用“三明治”绕法即“初级+次级+初级”的绕法进行绕制,采用这种绕法可以减少变压器的漏感,由于次级输出电流较大,故次级采用四组多股线圈并绕3匝而成。Rl,C1为吸收电路场效应管采用低栅荷的IRFP460LC开关管,LT为初级电流检测用的电流互感器,作为电流控制时的电流取样用。

4.2、PWM控制电路

UC3846的大功率开关电源的设计

图5  控制电路

由UC3846构成的开关电源控制电路如图5所示,UC3846的8脚和9脚所接的ct和Rt决定振荡器的工作频率,PWM振荡频率近似计算公式

UC3846的大功率开关电源的设计

由TL431和光耦PC8l7以及外围电路组成简单可靠的电压反馈外环电路,并将反馈信号送至6脚。电流互感器LT将获得电流反馈内环信号经R13,C8组成的滤波器滤除电流前沿尖峰后送入4脚,放大3倍后和电压误差信号进行比较。在引脚6脚和7脚之问接入阻容R5,C3构成PI调节器,用于补偿闭环增益和进行频响调节,R15,C1组成斜坡补偿网络,保证系统能够稳定的工作,引脚1外接软启动电容c2,当引脚1上的电压低于0.5V时,UC3846的两个输出端将没有输出,通过对电容c2的充电可以很简单的实现电路软启动功能,引脚l6脚外接保护电路,当16脚电位上升到O.35V,电路进入保护状态,封锁输出脉冲。控制电路的电源由辅助电源电路提供。

4.3、驱动电路的设计

由于驱动电路的浮地电位与被驱动的开关管源极电位不同,需要采用电位隔离的方式驱动,本文采用IR公司生产的IR2110驱动器,它的浮置电源采用自举升压电路,能够很好的实现控制电路主电路的互相隔离,同时具有体积小、速度快、结构简单、系统稳定性高等优点。全桥电路有两对场效应管,因此需要两块IR2i10构成驱动电路,由IR2110构成的驱动电路如图6所示

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图 6  驱动电路

图中,C1,c2为自举升压电容,VCC经D1,C1和G3给C1充电,实现G3关闭,G1导通时,G1的栅极上有足够的储能来驱动。对于自举电容的选择,一般用一个大电容和一个小电容并联使用,小电容的作用是吸收毛刺干扰电压,驱动大容量的MOS管,上管的驱动波形峰顶如果出现下降的现象则要选取容量大一点的电容,电路中还增加了稳压二极管v5,V6避免VB过电压损坏IR2110。

5、实验与结论

按照以上分析和计算设计了一款全桥型开关电源样机,其设定输出电压为+24V,额定输出电流40A,测试结果表明,电压调整率和输出电压纹波均达到设计指标,满足了设计要求。

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