20kHz高压开关电源的设计

20kH z高压开关电源的设计

Design of20kH z High V oltage S witching C onverter

(250002)山东电力研究院　封晓蕾

(256610)滨州电业局　刘前卫

(100044)北方交通大学　姜学东

摘　要　主要研究一种20kH z高精度、高压(20kV)、大功率开关电源的设计原理,分析了斩波调压电路、全桥逆变升压电路的驱动控制与保护并介绍了升压变压器的设计。该电源具有双级调压、精度高、稳定性好、动态适应性强等优点,是一种理想的大功率电压源。关键词　智能功率模块　脉宽调制集成控制

中图分类号:T M8 文献标识码:B 文章编号:1007-9904(2002)03-0062-03

1　引言

高频、大功率、高可靠性开关电源是当今电源变换技术发展的重要方向之一。智能型电力电子器件、抗干扰技术和新的控制理论的应用使其在高频、高效、高可靠性方面更具竞争力。应用含有IG BT驱动、保护的智能功率模块(Intelligent P ower M odule)和脉宽调制(PW M)稳压、限流双闭环集成控制技术设计的20kH z高压开关电源,能达到较为理想的技术指标,如:15kW的功率,优于0.1%的稳定度,对电网干扰不大于0.1%,适宜环境温度-40℃-+65℃等,并兼有缺相、过流、过压、短路等保护功能,因此是功率电源的理想解决方案。

本文主要介绍该电源的原理框图、核心电路(整流电路、斩波电路、全桥逆变电路、IPM驱动控制电路和PW M脉宽调制集成控制电路),双级调压的驱动控制和保护以及升压变压器的设计,并给出仿真及实验结果。

2　原理设计框图

开关电源原理框图如图1所示。200V、400H z 的三相交流电源经过滤波后,送入不可控三相桥式整流电路;降压型斩波电路的斩波开关由两个并联的IPM构成,PW M集成控制电路(20kH z)对其进行推挽式开关控制,以调节第一级输出电压幅值。当单个斩波开关工作频率为20kH z时,推挽式输出方波频率可达40kH z;输出电压经τ型滤波电路滤波后,作为IPM全桥逆变器的支撑电压;逆变器的开关频率为20kH z,占空比接近50%,从而使输出电压的纹波最低;电源输出的20kH z高频方波脉冲经过升压变压器,送给高压负载。电压传感器和电流传感器分别进行电压和电流取样,反馈给PW M集成控制电路,形成稳压限流双闭环控制,可使斩波器输出电压在10-100%可调,从而输出电压幅值达到设计要求。本开关电源的功率主回路由不可控整流电路、降压型斩波电路、τ型滤波电路、全桥逆变电路等部分组成

。通过PW M集成控制电路实现稳压限流双闭环控制,并用外同步信号进行脉宽调制,控制IPM全桥逆变。斩波电路和全桥逆变电路双级调压,实现输出电压的高精度要求。

图1　开关电源原理框图

3　设计原理介绍

整流部分原理简单,故下文仅就IPM全桥逆变控制电路、斩波电路脉宽调制集成控制电路、保护电路以及升压变压器的设计作详细阐述。

3.1　推挽式斩波变换器

本电源主回路的一大特点是采用了推挽式斩波变换器,电路结构如图2所示。两只开关管Q

1、Q2经由二极管D1、D2并联。斩波开关管以小于180度的导通时间互补工作,若单管工作频率为20

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kH z ,则推挽式输出后频率可以到40kH z

。

图2　开关电源功率主回路

3.2　全桥逆变电路及其驱动控制

逆变部分采用全桥逆变电路,其中功率开关器

件选用日本三菱公司的第三代智能功率模块(IPM )PM300DS A120,由于IG BT 芯片能连续监控电流,从而实现了高效的过流保护和短路保护,IG BT 芯片还集成有过热保护和欠压锁定保护电路,因而进一步提高了系统的可靠性。

全桥逆变电路主回路如图3所示,

由两个双封装的IPM 和输出变压器T r 构成。输入直流电压为Vin ,输出交流电压为V o ,变压器T r 的原边绕组接于AB 两端,原边绕组匝数为W1,副边绕组匝数为W2,变比为W1ΠW2。全桥逆变电路有双极性控制

,有限双极性控制和移相控制三种控制方式,本电源中采用双极性控制。

图3　全桥逆变主电路

IPM 全桥逆变驱动控制电路的原理框图如图4

所示。外同步信号进行脉宽调制,控制由CC4027B

双J K 主从触发器构成的互补脉冲产生电路,由CC4098B 双单稳态多谐振荡器分别控制两路互补脉冲的死区时间,故障信号及方波脉冲信号通过CC4081B4输入端双与门输出给CC4043B 四R ΠS 锁存器,经光耦驱动输出。

图4　全桥逆变控制电路原理框图

3.3　RCD 吸收回路的原理及参数设计

PM300DS A120的集电极C 与发射极E 之间承

受的电压为电源电压。由于漏感的影响,C 极与E 极之间将会有一倍以上的尖峰上冲电压。为确保电路正常工作,在C -E 之间设置了RC D 缓冲吸收回路,用以控制关断浪涌电压和续流二极管的恢复浪涌电压。

若使用与IG BT 匹配的快速缓冲二极管,该电

压毛刺则主要取决于缓冲电感Ls ,根据毛刺电压的量级以及功率回路中di Πdt 的值可以确定Ls 的大小;

ΔV 1=L s ×di Πdt

式中:L s =缓冲电路的寄生电感

di Πdt =关断瞬间或二极管恢复瞬间的di Πdt

一个典型的IG BT 功率电路中,最差情况的di Π

dt 将接近0.02A Πns ×Ic ,因此可计算出L s 值。再

由第二次上升峰值的限定值(ΔV 2),据能量守恒定律可得缓冲电容值C ;

1Π2l P i 2

=1Π2C ΔV 2

2

这里:L P =母线寄生电感

I =工作电流C =缓冲电容值

ΔV 2=缓冲电压峰值

一般来说,缓冲电路必须尽可能地连接到IG 2BT 模块上,并采用较小的低感缓冲元件,从而有助

于功率电路的工作。

3.4　斩波调压脉宽调制集成控制电路

开关电源中采用了型号为SG 1525A 适用于N 沟道MOSFET 的集成控制芯片,SG 1525A 除具有SG 1524诸如完整的PW M 功率控制电路功能、频率

稳定性好、有交变输出开关对、有超温保护和过流保护等特性外,增设了欠压锁定电路、软启动电路、且振荡器和输出极也作了较大改进,故可完全对SG 1524进行替换,并以更优良的性能实现更新颖

的应用,其开关频率可达200kH z 以上,适合于驱动N 沟道MOS 功率管。本电源中SG 1525A 采用双端

控制推挽式输出,能较好满足主回路对占空比的需求。

3.5　升压变压器的设计

高频升压变压器是开关电源中非常重要的部

件,它和普通变压器一样也是通过磁耦合来传输能

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