浮地方式驅(qū)動的寬電壓輸入串聯(lián)型開關(guān)電源

1、電力電子技術(shù)Power ElectronicsVol.43,No.12December2009第43卷第12期2009年12月 圖2浮地驅(qū)動方式的串聯(lián)型開關(guān)電源框圖1引言串聯(lián)型開關(guān)電源具有調(diào)壓范圍寬、穩(wěn)定性好、控制線路簡單,尤其在開關(guān)管導(dǎo)通時,儲能電感在儲能的同時還可向負(fù)載提供能量,因此功率傳送能力大,用較小的電感可輸出較大的功率1-2。集成電路組成的串聯(lián)式開關(guān)電源具有效率較高、體積小、使用方便等特點,但自身功率損耗較大,輸入電壓范圍小3-4,因此在實際應(yīng)用中受到一定的限制。提出了基于浮地方式驅(qū)動開關(guān)管的串聯(lián)型開關(guān)穩(wěn)壓電源,由于使用了一片通用型CMOS 門電路集成電路CD40106,并采用了浮

2、地方式驅(qū)動技術(shù),因此電源自身的功率損耗很小,在12100V 寬電壓范圍工作時,啟動電流僅為0.20.3mA ,工作電流為12mA ,且在固定頻率的PWM 方式下工作,因此可減少諧波分量,具有電路簡單、擴(kuò)展輸入電壓和輸出功率方便等特點。2通用串聯(lián)型開關(guān)電源的工作原理圖1示出通用串聯(lián)型開關(guān)電源的框圖。輸出電壓取樣后經(jīng)施密特觸發(fā)器控制開關(guān)管工作。開關(guān)管導(dǎo)通時,電感在儲存能量的同時給濾波電容和負(fù)載同時供電;斷開時,電感上儲存的能量釋放,使負(fù)載得到較穩(wěn)定的連續(xù)電流。由于這種電源結(jié)構(gòu)簡單、成本低,因此廣泛使用在各種電子設(shè)備中。但由于驅(qū)動器跨接在開關(guān)管和地之間,因此在寬電壓范圍工作時要求驅(qū)動管的耐壓高,同時

3、高電壓在驅(qū)動器上產(chǎn)生較大的功耗,因此需采用恒流驅(qū)動等技術(shù)。設(shè)輸入電壓為U i ,驅(qū)動器的驅(qū)動電流為i ,開關(guān)管輸入端輸入為U s ,占空比為D ,且設(shè)T on 時開關(guān)管導(dǎo)通,則驅(qū)動器上的功率損耗為:P=(U i -U s iD (1通常三極管的輸入電壓U s =0.71V ,MOSFET 的輸入電壓U s =510V ,可知輸入電壓越高,驅(qū)動管的功耗越大。3浮地方式驅(qū)動串聯(lián)型開關(guān)穩(wěn)壓電源3.1電路的組成圖2示出浮地方式驅(qū)動開關(guān)管的串聯(lián)型開關(guān)穩(wěn)壓電源的框圖。與通用串聯(lián)型開關(guān)電源相比,驅(qū)動器、PWM 發(fā)生器等部分共同使用另一個“浮地”,浮地與電源的正輸入端之間通過恒流源產(chǎn)生工作電壓。由于工作浮地方

4、式驅(qū)動的寬電壓輸入串聯(lián)型開關(guān)電源金永鎬,徐紅梅(延邊大學(xué),吉林延吉133002摘要:提出了一種基于浮地方式驅(qū)動開關(guān)管的串聯(lián)型開關(guān)穩(wěn)壓電源的設(shè)計方法。這種開關(guān)電源在內(nèi)部采用了兩個地,即整個電路的地和場效應(yīng)管驅(qū)動器部分的浮地,12100V 寬電壓范圍工作時,浮地和電源正端之間產(chǎn)生穩(wěn)定的約10V 電壓供場效應(yīng)管的驅(qū)動器部分工作,因此驅(qū)動特性良好。整個電路使用一片通用的CD40106集成塊設(shè)計,電路以固定頻率PWM 方式工作,因此自身功耗很小,具有電路簡單、工作穩(wěn)定、成本低等特點,可用在各種工業(yè)用報警器產(chǎn)品和爆閃式信號燈中。關(guān)鍵詞:開關(guān)電源;串聯(lián);浮地方式驅(qū)動;寬電壓中圖分類號:TM910文獻(xiàn)標(biāo)識碼:

5、A文章編號:1000-100X (200912-0074-02Series Switching Power Supply with Wide Voltage Input Based on Floating DriveJIN Yong -gao ,XU Hong -mei(Yanbian University ,Yanji 133002,China Abstract :Series switching regulation power supply based on floating drive is presented.There are two GNDs in the powersupply

6、 ,as circuit GND and floating GND of MOSFET driver.In the wide range of 12100V voltage ,10V voltage generated between floating and positive power can be applied to drive MOSFET ,so driving characteristic is well.It is designed with agenerational CD40106,it can work in the ways of fixed -frequency PW

7、M ,so the circuit is simple ,works steadily and has low cost.It can be applied to all kinds of the industrial alarm system and the burst flashing signal lamps.Keywords :switching power supply ;series ;floating drive ;wide voltage圖1通用串聯(lián)型開關(guān)電源框圖 頻率高,電源的地與浮地間控制信號的傳遞不能采用光電耦合器,而是使用小功率的高反壓三極管。3.2浮地方式驅(qū)動開關(guān)管的

8、工作原理圖3示出實際電路圖,電路具有兩種“地”。整個電路使用一片CD40106設(shè)計,其內(nèi)部有6個施密特輸入特性的非門。由U1A ,VD 4,R 4,R 6組成占空比為9095%的脈沖發(fā)生器,U1B 為MOSFET 的驅(qū)動器,為了提高驅(qū)動能力,利用剩下的5個門并聯(lián)驅(qū)動。 VD 1,VQ 2,R 3組成恒流源,對C 1充電,提供給CD40106的工作電壓U p =315V ,但為了飽和驅(qū)動MOSFET 開關(guān)管,取U p =812V 。這種恒流源電路自動適應(yīng)負(fù)載,輸出小于穩(wěn)壓管穩(wěn)壓值U VD1,恒流電流為:i =U VD1-U p -0.7R 3(2由于CD40106是CMOS 芯片,靜態(tài)工作電流小

9、于0.1mA ,但為了高速驅(qū)動MOSFET 需要較大的電流,其電流值與電路的工作頻率、MOSFET 的輸入電容有關(guān)5,實驗證明電流i 的取值范圍是12mA 時電路穩(wěn)定工作,通過式(2 可計算出R 3。每個周期的脈沖高電平時,由于電容C 2的電壓不能突變,因此E 點的電平也是高電平,F 點輸出U B -U F U p 電壓,VQ 1導(dǎo)通,U o 上升,當(dāng)U o =U VD3+0.7V 時,VQ 3開始導(dǎo)通,E 點電壓開始變低,F 點輸出變高,U B -U F 近似為零,VQ 1斷開,從而形成固定頻率的PWM 波形。3.3工作原理波形分析圖4示出工作原理波形。設(shè)U sh 和U sl 為施密特 門電

10、路CD40106的上、下比較電平。每個工作周期的高電平處VQ 1導(dǎo)通,U o 上升,當(dāng)U o 上升到VQ 3剛剛導(dǎo)通時,C 2被充電,E 點電壓開始下降,當(dāng)下降到U sl 時,U1B 輸出高電平,VQ 1截止,U o 開始下降,VQ 3截止。這種電路的最大PWM 寬度是脈沖周期的高電平時間。由于采用浮地驅(qū)動方式,且使用了5個施密特門驅(qū)動,因此VQ 1驅(qū)動電壓的上升和下降沿非常陡,大大減少了開關(guān)損耗,且在12100V 輸入范圍內(nèi),開關(guān)管的驅(qū)動電壓被嚴(yán)格限制在812V 的安全區(qū)。如需進(jìn)一步減少恒流源的功率損耗,可在圖3的G 點處接入如圖5所示的輔助電源電路,利用電源啟動后的輸出脈沖提供CD4010

11、6的工作電壓。電源啟動時恒流源電路工作,啟動后由于VD 1的穩(wěn)壓值是10V 而VD 5的穩(wěn)壓值是12V ,因此電源正常工作時A 點的電位低于C 點的電位,VQ 2自動截止,從而減少恒流源部分的1mA 左右靜態(tài)電流產(chǎn)生的功率損耗。3.4工作時實際波形圖6示出輸出電壓為12V ,電流為2A ,頻率為43kHz 時電源“地”與各點之間的工作波形。由圖可見,電源正端與“浮地”之間產(chǎn)生穩(wěn)定的CD40106工作電壓U p ,從F 點的波形可見,利用5個門驅(qū)動MOSFET 時,驅(qū)動波形的上升沿和下降沿非常陡,因此MOSFET 的開關(guān)波形(G 點波形非常陡,從而大大提高了效率,最大的PWM 脈沖寬度為每個周期

12、的高電平時間(D 點、G 點波形。為了觀察浮地電源的動態(tài)特性,圖7示出輸入脈動直流時B 點和F 點的波形,F 點的波形中陰影部分是加在MOSFET 的G 極和S 極兩端的電壓。由圖可見,當(dāng)輸入電壓改變時,“浮地”點的電壓也相應(yīng)地改變,而陰影部分的寬度不變,說明CD40106的工作電壓U p 穩(wěn)定不變。4結(jié)論浮地方式驅(qū)動的串聯(lián)型開關(guān)電源(下轉(zhuǎn)第78頁圖5輔助電源電路圖6U i =45V ,U o =12V 時的波形圖3浮地驅(qū)動方式的微功耗串聯(lián)型開關(guān)電源電路圖C 2為脈沖保持電容;VQ 3為放電器電力電子技術(shù)Power ElectronicsVol.43,No.12December 2009第43

13、卷第12期2009年12月輸出功率P o =1kW 。按最低輸入60V 設(shè)計,由式(3得D max =0.739。占空比大于0.5,用峰值電流控制時要加適當(dāng)?shù)男辈ㄑa償,以消除次諧波振蕩。4仿真和實驗考慮過載,按1.5kW 設(shè)計,由式(4算得開關(guān)管電壓應(yīng)力為230V ,由式(6 算得電流應(yīng)力為29.8A 。由式(8折衷選擇電感量為146H ,因耦合匝比N =1,所以次級繞組也選146H 。該耦合電感的磁芯設(shè)計是關(guān)鍵,由于它是電感式的變壓器,這一點與反激變換器的變壓器一樣,應(yīng)該盡量減小漏感,從而避免開關(guān)管上過大的電壓尖峰。耦合電感磁芯選用HP2材質(zhì),EE65型號,其最大工作磁密為0.32T ,計算

14、得初、次級匝數(shù)都為26,用厚0.2mm 的銅皮繞制,經(jīng)核算,選用該磁芯窗口能夠繞下。取K p =0.0085,K i =1.667,將之與計算得到的其他參數(shù)代入式(12,波特圖如圖4所示。 由圖可見右半平面零點是28620rad s -1,它對系統(tǒng)的影響在0dB 線以下,且系統(tǒng)是以-20dB/dec 衰減穿越0dB 線,相位裕度很大,故系統(tǒng)穩(wěn)定。用Psim 進(jìn)行仿真,結(jié)果如圖5所示。圖6示出I o =2.86A 時的電壓實驗波形和實測效率曲線。實驗和仿真說明,對耦合電感式Boost 電路運用峰值電流控制是切實可行的,前面的理論分析是正確的。5結(jié)論將所設(shè)計的電路應(yīng)用在高升壓比的蓄電池泵升,適用于

15、中小型UPS 中的DC/DC 變換。采用電流型控制,帶寬增益積大,能滿足UPS 的動態(tài)性能要求。該分析設(shè)計方法可有效地指導(dǎo)耦合電感式Boost 電路的設(shè)計。參考文獻(xiàn)1Iwade T ,Komiyama S ,Tanimura Y ,et al.A Novel Small -scale UPS using a Parallel Redundant Operation SystemA.Telecommunications Energy Conference ,INTELEC 03.The25th InternationalC.2003:480-484.2Hirachi K ,Kajiyama K

16、,Isokane S ,et al.Coupled InductorAssisted Bidirectional Chopper for Small -scale BatteryEnergy Storage SystemJ.Electronics Letters ,2003,39(20:1467-1469.3Hirachi K ,Nakaoka M.UPS Circuit Configuration Incorpo -rating Buck -Boost Chopper Circuit with Two Magnetically Coupled coils J.Electronics Lett

17、ers ,2003,39(18:1345-1346.4Yoshihiko Yamakata ,Makoto Yatsu ,Eiki Iwabuchi ,et al.Development of New Seriese MINI -UPSJ.Trans.of JapanSociety for Power Electronics ,1999,25(1:81-89.5Cooke P.Modeling Average CurrentMode Control ofPowerConvertersA.IEEE APEC 2000C.2000:256-262.圖5仿真波形圖6實驗結(jié)果圖4波特圖(上接第75頁在12100V 寬電壓范圍內(nèi),提供穩(wěn)定的驅(qū)動器工作電源,驅(qū)動MOSFET 的波形良好,無負(fù)載時其自身的電流僅為12mA ,因此效率高,電路簡單、工作穩(wěn)定。更換MOSFET 和VQ 2,VQ 3小功率管可設(shè)計出輸入電壓12200V ,輸出功率1100W 的電源,廣泛適用于各種工業(yè)用報警器產(chǎn)品和爆閃式信號燈。所設(shè)計的寬電壓工作產(chǎn)品提高了產(chǎn)品的競爭力。參考文獻(xiàn)1王兆安,黃俊.電力電子技術(shù)M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006.2金永鎬,徐紅梅.基于同步方式恒流驅(qū)動模式的寬電壓輸入串聯(lián)型開關(guān)電源J.電力電子技術(shù),2008,42(8:71-72.3王水平,劉暢生,王亞民,等.集成穩(wěn)壓器使用指南與應(yīng)用電路