1、5kW 高稳定度电源模块概述1 引言随着微机在电力系统中的推广应用，相应对直流电源也提出了更高的要求，于是高频开关电源开始被电力系统所采纳。目前国内所生产的高频开关电源模块，单机功率普遍小，用于小容量直流系统，性能价格比绝对占优势，可靠性也比较高。而对于大容量直流系统，就必须并联许多模块，这样一方面使直流系统的可靠性大大降低，另一方面使造价升高，在市场竞争中，便无优势可言了。在这种形势下，就需要单机容量大的开关电源，本文介绍的开关电源，正是为此而设计的。 2 控制电路本电源控制电路采用的是 MOTOLOLA 公司生产的 TL494 芯片，其内部结构方框图如图 1 所示。TL494 是一个固定频
2、率的 PWM 控制电路，适用于设计所有的（单端或双端）开关电源典型电路，其主要性能如下：1）输入电源 DC740V，可用不稳压电源作输入电源，从而使辅助电源简化。TL494 末级两只功率管在 740V 范围内工作时，最大输出电流可达 250mA。因此，其负载能力较强，即可按推挽方式工作，也可将两路输出并联工作，小功率时可直接驱动。 2）内部有 5V 参考电压，使用方便，参考电压短路时，有下垂保护特性。3）内部有一对运算放大器，可作反馈放大器及保护之用，控制很方便。4）在高频开关电源中，输出方波必须对称，在其它一些应用中，又需要方波人为不对称，即需控制方波的占空比，通过对 TL494 第 4 脚
3、（死区时间控制端）的控制，即可调节占空比，还可作输出软启动保护用。5）可以选择单端，并联及交替三种方法输出。对照图 1 可以看出 TL494 芯片的脚 1 及脚 2 为运算放大器输入，本电路作电压反馈，脚 1 为反馈输入，脚 2 在脚 14 上通过电阻从内部基准电压 5V 取分压，作为与脚 1 比较的基准。脚 3 为补偿校正，为 PWM比较器输入，接入电阻及电容可以抑制振荡。脚 4 为死区控制，加在脚 4 上的电压越高，死区宽度越大。当其接地时，死区为零，即全输出，当其接 5V 时，死区最大，无输出脉冲。利用此特点，在脚 4 与脚 14间接一电容，可达到输出软启动的目的，还可以做短图 1TL4
4、94 方框图路保护用。脚 5 及脚 6 为振荡器的接地电容，电阻，本电路振荡器振荡频率为 50kHz。脚 14 为内部参考电压5V。脚 15 及脚 16 为另一运算放大器输入，本电路即作电流反馈用，又作电流保护用，不用时，可将脚 15 及脚 16 在与地短接。3 功率变换部分本电路功率变换部分采用 IGBT 模块，组成半桥式电路，如图 2 所示。此部分是开关电源的核心，其性能的好坏直接影响整个电源的性能与可靠性。3.1 主电路经过三相全波整流后约 560V 直流电压经输入滤波电容 C2，C3 分压，各承受约 280V 电压。当 V1 的门极电压 uG1 达到一定电平值时，V1 导通，电容器 C
5、2 经过 V1 的漏极 源极，变压器 T 的初级绕组放电，给次级传递能量。当 V1 截止时，V2 的门极电压 uG2 也达到一定的电平值，使 V2 由截止转为导通，电容器 C3 经 T 的初级绕组及 V2 的漏极 源极放电，给次级传递能量。为了避免 V1 与 V2 同时导通造成直通故障损坏 V1 和 V2，必须要保证 V1 和 V2 的门极驱动电压有一个共同截止的时间，称为控制脉冲的“死区”时间，要求“死区”时间必须大于 V1 和 V2 的最长导通饱和延迟时间。3.2RC 缓冲电路如图 2 所示，以 V1 为例，当 V1 截止时，电容器 C4 通过 R4 充电，当 V1 导通时，电容器 C4
6、经 R4 放电，RC 缓冲电路虽然消耗了一定量的功率，但却减轻了开关管关断瞬间的电压应力。选择 RC 电路必须要保证以下两点：一是在开关管截止期间，必须能使电容器充电到接近 UDS 电压；二是在开关管导通期间，必须使电容器上的电荷经过电阻全部放掉。3.3 门极抗干扰箝位保护电路如图 2 所示，并联在 IGBT 门极与发射极之间的稳压管，极性相反，串联在一起使用，其目的是把门极正向电压限制在 20V 以内，负偏压限制在 15V 以内，这样把加在门极的电压箝位到预定电平，从而有效地消除了干扰在驱动电路中产生的尖峰电压信号对 IGBT 的潜在危害。4 驱动电路IGBT 的门极驱动电路密切地关系到其静
7、态和动态特性。门极电路的正偏压 UGS、负偏压UGS 和门极电阻 RG 的大小，对 IGBT 的通态电压，开关时间，开关损耗，承受短路能力以及 dv/dt 等参数均有不同程度的影响。设计驱动电路的一些注意事项如下：1）连线长度应尽量减少与 IGBT 模块各管脚的连线长度，尤其是门极引线的长度。如果实在无法减少其长度，可以用小磁环或一个小电阻与门极串联。这两个元件应尽量靠近模块门极，它们可以消除寄生震荡。2）精心布局器件尽量作到完全对称，连线尽量同长度并且尽量减短加粗，尽可能用多股绞线。3）泄放电阻在 IGBT 的门极与源极之间，应加 11k 的泄放电阻。4）正偏电压 UGS 的影响当 UGS
8、增加时，开通时间缩短，因而开通损耗减少，UGS 的增加虽然对减小通态电压和开通损耗有利，但是 UGS 不能随意增加，当增加到一定程度后，对 IGBT 的负载短路能力以及 dv/dt 有不利影响，本电路采用 UGS=15V。5）负偏电压UGS 的影响负偏电压是很重要的门极驱动条件，它直接影响 IGBT 的可靠运行。过高的 dv/dt 会产生较大的位移电流，使门极 源极之间的电压上升，并超过 IGBT 的门极阈值电压，于是产生一个较大的漏极脉冲浪涌电流，过大的漏极浪涌电流会使 IGBT 发生不可控的擎住现象，为了避免 IGBT 发生这种误触发，可在门极加反向偏置电压，本电路加UGS=12V。6）门
9、极电阻的影响门极电阻选用的原则为，在开关损耗不大的情况下，应选用较大的门极电阻，但当门极电阻增加时，IGBT 的开通与关断时间增加，进而使每脉冲的开通能耗 EON 和关断能耗 EOFF 也增加，所以综合考虑本电路采用 51。图 2 功率变换部分电路图5kW 高稳定度电源模块概述5 功率变压器功率变压器是开关电源的“心脏”，它的选材、计算及绕制方法等，将关系到所设计开关电源的成败及性能的好坏，必须给予高度重视。无论是处于主充还是浮充状态，当电网输入电压最低，稳压电源输出满载时，变压器必须仍能满足稳压系统的正常工作。6 滤波电路输出电感的设计设计一个合理的输出电感，不仅可以使开关电源的体积减小，节
10、约原材料，使之具有市场竞争力，而且更重要的是，它既可以存储能量，以便在开关功率管截止或“死区”时间内，能够给负载提供连续不断的电流；又能使输出的直流电压更平滑，使输出电压纹波能够达到比较理想的指标。 为了使滤波效果显著，可以增加线圈的匝数，为了减少热效应和趋肤效应，线圈绕制时采用多股铜线并绕或采用紫铜带绕制，层与层之间用 0.1mm 厚的高强度聚脂薄膜绝缘。所有绕组均要紧密绕制并做浸漆处理。7 最大电流法自动均流本电源可以多机并联同时运行，并联方式采用自动设定主模块和从模块的方式，即在 N 个并联的模块中，输出电流最大的模块，将自动成为主模块，而其余的模块则为从模块，它们的电压误差依此被整定，
11、以校正负载电流分配的不均衡，又称为“自动主从控制法”。具体实现由单片机部分来完成，如图 3 所示。在图 3 中，均流母线上的电压 Ub 反映的是并联各模块中的最大值。由于二极管的单向性，只有对电流最大（电压最高）的模块，二极管才导通，a 点电压方能通过它与均流母线相连。设正常情况下，各模块分配的电流是均衡的。如果某个模块电流突然间增大，成为 N 个模块中电流最大的一个，于是其输出电压最高，该模块便自动成为主模块，其它各模块成为从模块，这时候，Ub=Uimax，而各从模块的 Ui 与 Ub(即 Uimax)比较，通过调整放大器调整基准电压，自动实现均流。需要说明的是，由于二极管总有正向压降，因此
12、，主模块的均流会有误差，而从模块的均流则是较好的。8 设置保护开关电源在工作中，尤其是大功率的，当有异常现象发生时，能否实现自身保护，将决定它的可靠性和是否具有适用性。本电源设有输入过压、输入欠压、输出欠压、温度、及过流保护。各种保护均通过单片机进行分析处理，大大提高了保护动作速度，从而避免了采用模拟电路实现保护所造成的动作速度慢的问题，电源的可靠性就自然而然地提高了。此种保护模式，很容易解决主逆变桥共态导通的问题。有故障时，保护动作，电源没有输出，当故障消失后，电源自动恢复工作。9 主要技术指标交流输入电压三相 380（120）V50Hz 不分相序输出直流电压 0300V输出直流电流 020A稳压稳流精度0.01效率95运行方式 100连续10 结语通过采用 IGBT 功率模块研制的大功率开关电源，不仅电源体积减小，电路简单，而且成本下降、性能可靠、维护方便、操作简单。
