高频开关电源教学实验平台的设计

丘东元,段振涛,张 波,王学梅,肖文勋

(华南理工大学 电力学院,广东 广州 510640)

开关电源是一种常用的电力电子产品,具有效率高、体积小、重量轻等优点[1-3],本文针对实验教学的特点,设计并制作了一套基于双管单端正激变换器的高频开关电源教学实验平台,用于开关电源教学实验。该平台一方面是对“电力电子技术”课程实验的补充,有利于学生全面了解和掌握开关电源的构成和工作原理;另一方面为对电源设计感兴趣的学生可以参照实验平台,独立完成一个开关电源产品的设计与制作,加强本科生应用创新能力的培养。

1 开关电源实验平台的设计

1.1 主电路拓扑的选择

根据开关管的数量,开关电源的拓扑可以分为以下几种类型:单管类有正激式变换器和反激式变换器;双管类有双管正激变换器、双管反激变换器、推挽变换器和半桥变换器;四管类只有全桥变换器[4,5]。其中,反激式变换器的电路结构简单,元器件数目较少,成本低廉,广泛应用于高电压、小功率场合(电压不大于5000V,功率小于15W);而正激式变换器的控制简单,变压器利用率高于反激方式,广泛应用于直流输入电压范围为60～200V、输出功率范围为150～200W的场合;推挽式变换器通常存在变压器磁通不平衡问题,且输出功率和输入电压范围较窄,因此不会直接用作由电网供电的变换器;半桥式电路的变压器利用率较高,且具有抗不平衡能力,晶体管耐压要求较低,最大输出功率约为400～500W;全桥型电路施加于变压器及晶体管上的电压与输入直流电压相等,变压器的利用率较高,适合大功率场合使用。

教学实验电源一般采用AC220V市电供电,市电经整流后直流电压约为311V,其所用负载通常为200W以下的中小功率负载,如电阻和直流电机等[6]。结合教学实验的实际需求,本文设计的开关电源实验平台选择正激式变换器作为基本拓扑。

1.2 电路的工作原理

双管单端正激变换器的原理图如图1所示,其特点是使用两个开关管,且两个开关管同时导通和关断。当两个开关管同时导通时,输出端整流二极管导通,变压器向负载传输电能;当两个开关管同时关断时,输出端整流二极管关断,续流二极管导通向负载供电,同时变压器初级续流二极管导通,从而将变压器储能回馈到输入端直流母线。由于初级续流二极管的箝位作用,每个开关管仅承受一倍直流输入电压,仅为单管单端正激变换器开关管的一半,且关断时不会出现漏感尖峰。因此,双管单端正激变换电路有效地解决了单管单端正激变换器中功率开关管电压应力较高的问题,在应用于输入直流电压为311V的场合时,开关管的选型将会容易很多,成本也会更低。

双管变换器如图1所示。工频交流220V市电经整流桥和滤波电容Cin得到较为平滑的高压直流电,且滤波电容Cin同时吸收了本机产生的杂波以避免其污染公共电网。开关管S1和S2组成的逆变器将高压直流电转换为高频脉冲,经高频变压器T1进行降压,最后通过输出整流滤波环节得到平滑的直流电压输出[7]。电感L和电容Co构成输出滤波环节,保证输出电压纹波满足设计要求。具体采用如下的工作过程。

1)在t0时刻同时开通S1和S2,变压器原边电压up升至输出直流电压Uin,初级电流ip流经S1、W1和S2,并开始线性上升,续流管D1和D2截止。次级整流管D3导通,续流管D4截止,原边给负载供电。

图1 双管单端正激变换器

2)在 t1时刻S1和S2同时关断,由于变压器原边绕组线圈上的电流不能突变,原边绕组上产生的感应电动势使得up迅速下降,此时续流管D1和D2导通,将 up幅值箝位于Uin,ip流经 D1、W1、D2将变压器储能回馈给输入端[8],且ip开始线性下降。次级整流管D3截止,续流管D4导通续流给负载供电。

3)在t2时刻up的幅值从Uin开始线性减小,ip线性下降的速率减缓,仍流经 D1、W1、D2向输入端回馈电能,次级状态不变。

4)在t3时刻ip线性下降到0,up的幅值继续线性减小但是速率变慢,直至up的幅值下降到0。次级整流管D3仍然截止,续流管D4继续导通续流给负载供电。

5)在t4时刻S1和S2同时开通,下一周期开始。

1.3 控制电路和驱动电路的设计

美国Unitrode公司生产的UC3842是一款电流型PWM集成控制IC,其误差放大器E/A补偿电路简化,频响特性好,稳定幅度大,过流限制特性好,过压保护和欠压锁定功能完善。本文选择UC3842作为控制IC,其外部电路设计如图2所示。其中C11和R15组成UC3842内部误差放大器的RC补偿网络;R20和R21构成分压电路,获取合适的反馈电压送到误差放大器反相输入端;变压器 T3,二极管 D8、D9,电阻 R11、R12、R13和电容 C10共同构成电流反馈环节,R14为斜坡补偿电阻;电阻RT和电容CT则共同决定了UC3842内部振荡器的振荡频率。

图2 控制电路原理图

由于UC3842提供的PWM脉冲功率很小,不足以直接驱动开关管的导通和关断。因此本文设计的驱动电路采用推挽式加变压器隔离的组合,如图3所示。推挽式结构可以将辅助电源提供的直流12V转化为与UC3842输出的PWM脉冲同频率的脉冲波形。由于本设计采用的开关管IRF840的开启电压为14V左右,故设计了隔离变压器T2,其有两个相同的次级绕组,通过选择适当的变压器变比,即可产生两路彼此隔离的驱动信号,用以驱动上下两只开关管。

图3 驱动电路原理图

1.4 测试点的设置

综上所述,本文所设计的高频开关电源教学实验平台的电路图如图4所示。为了在实验中能够方便地测量所需的波形,充分理解和掌握双管单端正激式变换器的工作原理,本设计在硬件电路中设置了多个测试点,大大提高了该教学实验平台的实用性。

图4 高频开关电源教学实验平台的电路图

通过这些测试点,可以方便地测得变换器的整流输入电压波形uin(测试点A&G)、开关管的驱动波形uGS(测试点B&G)、高频变压器初次级电压波形up和us(测试点C&D和E&F)、输出电压波形uo(测试点H&G')以及控制电路和驱动电路中各个关键点的电压波形,从而使学生直观地掌握电源的工作过程和运行状况。

2 实验结果分析

根据以上设计方案,笔者成功制作了一套基于双管单端正激变换器的高频开关电源教学实验平台,该电源的工作频率为200kHz,额定输出电压12V,最大输出电流4A。正常运行时,通过预留的测试点可以很方便地测得各关键点的波形,见图5。

图5 测试点电压波形

图5(a)为交流电源经整流滤波之后的电压(uin)波形(测试点A&G)。由图可知在额定负载状态下该电压波动很小,十分稳定,从而确保后续环节的安全运行,提高电源的整体性能。图5(b)和图5(c)分别为变压器T1的初、次级端电压(up、us)波形。可见其与理论分析的波形基本相符。当开关管S1和S2都开通时,变压器T1承受正向压降,电能经由变压器传输到输出级,给负载供电;当开关管S1和S2都关断时,变压器T1承受反向压降,次级整流二极管D5关断,续流二极管D6导通续流,给负载供电,同时变压器初级续流二极管D3、D4导通续流,将变压器线圈中的电能回馈到直流侧,可在保障安全运行的同时提高电能利用率。图5(d)为该双管单端正激开关电源的输出电压(uo)波形。由图可见变压器次级电压经过输出整流二极管D5和滤波电感Lo、滤波电容Co之后,输出电压纹波很小,有利于负载性能的提升,并且可以有效延长其使用寿命。

3 结语

本文介绍了“电力电子技术”实验课程当中一套双管单端正激开关电源教学实验平台的设计过程及其实验结果,该平台已经成功应用于教学实验中。通过在该平台上进行教学实验,有利于学生深化课本理论知识,同时也为有志于电源设计的学生提供了良好的实践机会,有利于提高学生的动手能力,促进本科生应用创新能力的培养。实践证明,该装置完全满足设计要求,且是一种经济、易于检测和维护的实验装置,非常适合实验教学使用。

[1] 王志强译.开关电源的设计[M].北京:电子工业出版社,2005

[2] 徐德鸿译.开关电源设计指南[M].北京:机械工业出版社,2004

[3] 王兆安,黄俊.电力电子技术(第4版)[M].北京:机械工业出版社,2000.

[6] 原田耕介.开关电源手册[M].北京:机械出版社,2004.8 11-15

[7] 张占松,蔡宣三.开关电源的原理与设计(修订版)[MJ.北京:电子工业出版社,2004

[8] 杨君,石勇等.直流斩波电路实验装置的研制[J].上海:实验室研究与探索,2002年,第21卷:90-92

[9] 黄秋,方方等.一种实用小功率开关电源的研制[J].北京:电子设计应用,2009.5,98-100

[10] 陈敏,马皓,徐德鸿.变压器激磁电感对双正激变换器正常工作的影响[J].西安:电力电子技术,2001,35(6):15～18