一種多通道m(xù)osfe管的高頻變換器

一種多通道m(xù)osfe管的高頻變換器

0高頻變壓器電路隨著計(jì)算機(jī)、通信、航空、儀器儀表、家用電器的廣泛應(yīng)用，人們的需求日益增長(zhǎng)，他們對(duì)電源的效率、體積、重量和可靠性提出了更高的要求。為了適應(yīng)市場(chǎng)需求,全球各開關(guān)電源制造廠商不斷推出各種性價(jià)比很高的產(chǎn)品或模塊。開關(guān)電源以其效率高、體積小、重量輕等優(yōu)勢(shì)在很多方面逐步取代了效率低、又笨又重的線性電源。開關(guān)電源的高頻變換電路形式很多,常用的變換電路有推挽、全橋、半橋、單端正激和單端反激等形式。其中,在半橋式變換器電路中,變壓器初級(jí)在整個(gè)周期中都流過(guò)電流,磁芯利用得更加充分。它克服了推挽式電路的缺點(diǎn),所使用的功率晶體管耐壓要求較低;晶體管的飽和壓降減少到了最小;對(duì)輸入濾波電容使用電壓要求也較低。由于以上諸多原因,半橋式變換器在高頻開關(guān)電源設(shè)計(jì)中得到廣泛的應(yīng)用。本文將介紹一款半橋式開關(guān)電源,所用開關(guān)器件為功率MOSFET管,開關(guān)工作頻率為50kHz,具有體積小、重量輕、成本低等特點(diǎn)。1高頻變壓器s1、s1的組成結(jié)構(gòu)半橋式開關(guān)電源主電路如圖1所示。圖中開關(guān)管S1,S2選用MOSFET,因?yàn)樗请妷候?qū)動(dòng)全控型器件,具有驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單、驅(qū)動(dòng)功率小、開關(guān)速度快及安全工作區(qū)大等優(yōu)點(diǎn)。半橋式逆變電路一個(gè)橋臂由開關(guān)管S1,S2組成,另一個(gè)橋臂由電容C1,C2組成。高頻變壓器初級(jí)一端接在C1,C2的中點(diǎn),另一端接在S1,S2的公共連接端,C1,C2中點(diǎn)的電壓等于整流后直流電壓的一半,即Vi/2。開關(guān)S1,S2交替導(dǎo)通就在變壓器的次級(jí)形成幅值為Vi/2的交流方波電壓。通過(guò)調(diào)節(jié)開關(guān)的占空比,就能改變變壓器二次側(cè)整流輸出平均電壓Vo。圖1中,R1,R2是并聯(lián)均壓電阻;C3是耦合電容,其作用是防止由于兩個(gè)開關(guān)管的特性差異而造成變壓器磁芯飽和,從而提高半橋逆變電路的抗不平衡能力,C3要選擇ESR小的無(wú)極性電容。T101為初級(jí)電流檢測(cè)用的電流互感器,作為電流控制時(shí)的電流取樣用。2輸出電壓調(diào)整率b半橋式開關(guān)電源系統(tǒng)框圖如圖2所示。功率為150W,輸入交流電壓范圍為180～260V,輸出直流電壓為+15V,電流為10A,輸出電壓調(diào)整率SV≤1%,輸出電壓紋波UP-P≤50mV。220V交流電壓經(jīng)過(guò)全橋整流濾波后,得到約300V的直流電壓,再加到半橋功率變換器上,用脈寬調(diào)制電路產(chǎn)生的雙列脈沖信號(hào)去驅(qū)動(dòng)功率MOSFET管,通過(guò)功率變壓器的耦合和隔離作用在次級(jí)得到準(zhǔn)方波電壓,然后經(jīng)半橋全波整流和濾波輸出電壓Vo,該電壓再經(jīng)電壓反饋電路,校正PWM占空比,即可得到穩(wěn)定的直流輸出電壓Vo。2.1高壓設(shè)計(jì)1變壓器磁芯的選擇開關(guān)頻率對(duì)電源的體積、重量等影響很大。開關(guān)頻率越高,變壓器磁芯就會(huì)選得更小,輸出濾波電感和電容體積也會(huì)減小,但開關(guān)損耗增加,效率下降,散熱器體積加大。綜合考慮兩方面,設(shè)定其工作頻率為fs=50kHz。2磁芯大小的確定磁芯選用R2KB軟磁鐵氧體材料,其飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs=4700Gs,考慮到高溫時(shí)Bs會(huì)下降,同時(shí)為防止合閘瞬間變壓器飽和,設(shè)定最大工作磁密Bm=Bs/3=1500Gs。對(duì)半橋變換器,當(dāng)脈沖波形近似為方波時(shí),可按式(1)來(lái)確定磁芯的大小。Ap=Ae×Aw=Po×1062ηfsBmJKcKu(1)Ap=Ae×Aw=Ρo×1062ηfsBmJΚcΚu(1)式中:Ap為磁芯的面積乘積,cm4;Ae為磁芯的截面積,cm2;Aw為磁芯的窗口面積,cm2;Po為輸出功率,W;η為變壓器效率,一般可取80%;fs為變換器工作頻率,Hz;Bm為磁芯最大工作磁密,Gs;J為導(dǎo)線的電流密度,一般取2～3A/mm2;Kc為磁芯的填充系數(shù),對(duì)鐵氧體,取Kc=1;Ku為窗口的銅填充系數(shù),一般Ku=0.2～0.4。本設(shè)計(jì)選用EE-40型鐵氧體磁芯,由手冊(cè)知其參數(shù)為:Ae=127mm2,Aw=173mm2,則Ae×Aw=2.20cm4,遠(yuǎn)大于Ap的計(jì)算值。3變壓器原邊線路按最低輸入電壓和滿載輸出的極端情況來(lái)計(jì)算。已知最小輸入交流電壓為180V,減去20V的直流紋波電壓和整流器的壓降,最小直流電壓為Vinmin=180×1.4-20=232V。半橋式電路變壓器原邊繞組所加電壓等于輸入電壓的一半,即U1min=116V。則原邊繞組匝數(shù)N1=U14fsBmAe(2)Ν1=U14fsBmAe(2)式中:U1為變壓器原邊電壓,V。由(2)式計(jì)算得N1=30.5匝,經(jīng)實(shí)驗(yàn)實(shí)際取值為34匝。4安氏縣利用計(jì)算出來(lái)的變壓器初級(jí)匝數(shù),核算變壓器在最大輸入交流電壓Vinmax時(shí)的Bm,看磁芯是否飽和。由于Vinmax=260×1.4=364V。故半橋式電路變壓器原邊繞組所加電壓U1max=182V,由式(2)變形可得Bm=U14fsN1Ae=1824×50×103×34×127×10?6≈0.21(T)Bm=U14fsΝ1Ae=1824×50×103×34×127×10-6≈0.21(Τ)計(jì)算可知,在輸入交流電壓最大時(shí)Bm<Bs/2,所以,原邊繞組匝數(shù)N1=34匝的選擇是合適的。5變壓器副邊電壓副邊電路采用帶有中間抽頭的全波整流濾波電路,設(shè)輸出方波脈沖占空比δ=0.8,輸出回路二極管壓降為Vd、扼流圈壓降為Vc,取Vd+Vc=1.5V,則變壓器副邊電壓U2為U2=Vo+Vd+Vcδ=15+1.50.8=20.6(V)U2=Vo+Vd+Vcδ=15+1.50.8=20.6(V)故副邊匝數(shù)為N21=N22=U2U1minN1=20.6116×34=6Ν21=Ν22=U2U1minΝ1=20.6116×34=6(匝)6原邊最大工作電流在最低交流輸入電壓為180V時(shí),變壓器原邊通過(guò)的電流一定是最大可能的工作電流,由經(jīng)驗(yàn)公式可得,原邊最大工作電流為Ip=3PoVinmin=3×150232=1.94(A)Ιp=3ΡoVinmin=3×150232=1.94(A)7銅芯直徑和截面積的確定由于變壓器的工作頻率為50kHz,在此頻率下銅導(dǎo)線的穿透深度Δ=0.2956mm,考慮到趨膚效應(yīng)的影響,一般所選的導(dǎo)線銅芯直徑要小于2Δ,即導(dǎo)線直徑要小于0.5914mm。另外,考慮銅線的電流密度可取3～6A/mm2,由原、副邊最大工作電流就可確定出各自所需導(dǎo)線的截面積,進(jìn)而選擇合適的導(dǎo)線。這里原邊采用銅芯直徑為0.53mm的漆包線進(jìn)行2股并繞,副邊采用16股線徑為0.21mm的漆包線,絞結(jié)成4根并繞。2.2保護(hù)死區(qū)時(shí)間PWM控制電路采用美國(guó)硅通用電氣公司的SG3525A控制芯片。該芯片的輸入電壓工作范圍是8～35V,通?？扇?15V;振蕩頻率是100～500kHz,芯片的腳5和腳7間串聯(lián)一個(gè)電阻Rd就可以在較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)死區(qū)時(shí)間。另外,它的軟啟動(dòng)電路也非常容易設(shè)計(jì),只需在管腳8接一個(gè)軟啟動(dòng)電容即可。SG3525A的振蕩頻率可表示為fs=1Co(0.7Ro+3Rd)(3)fs=1Co(0.7Ro+3Rd)(3)式中:Co,Ro分別是與腳5、腳6相連的振蕩器的電容和電阻;Rd是與腳7相連的放電端電阻值。該芯片外圍電路簡(jiǎn)單,11和14腳輸出采用圖騰柱,電流驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng),可直接控制半橋逆變器的上下功率管S1,S2,其外圍電路如圖3所示。2.3集成驅(qū)動(dòng)電路從SG3525A的11,14腳出來(lái)的PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)PC817光耦,經(jīng)光耦隔離后,送到IR2110專用集成驅(qū)動(dòng)電路,進(jìn)而去驅(qū)動(dòng)功率MOSFET管S1和S2,IR2110外圍電路連接如圖4所示。3輸出電壓、電流、電壓經(jīng)過(guò)以上分析和計(jì)算,本文設(shè)計(jì)了一款半橋式開關(guān)電源,其額定輸出電壓+15V,額定輸出電流10A,圖5、圖6是實(shí)測(cè)波形。經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)分析,電壓調(diào)