一种基于TL2844B的变频器用反激式开关电源设计

2018-12-06天地常州自动化股份有限公司蒋德智

电子世界 2018年22期

天地（常州）自动化股份有限公司蒋德智

本文设计了一种基于德州仪器公司电流模式控制器TL2844B的多路输出单端反激式开关电源。该电源用于660V160kW矿用变频器，采用DC-DC变换方式，具有5路输出，通过稳定性良好的双环路反馈控制初级回路震荡脉冲占空比，以适应直流输入电压在较大范围内变化。介绍了TL2844的工作原理及外围电路、电压反馈和电流反馈及保护电路、高频变压器设计、初级回路MOSFET选型、输入输出滤波电路，旨在改善输出直流电源电能质量。样板实验表明，该电源输出电压纹波在可以接受范围内，能够适应直流输入电压的大范围波动，为变频器持续运行稳定供电。

引言：矿用变频器产品是比较复杂的电力电子变流产品，其内部电路复杂、存在强弱电结合点，以及要考虑整机的散热问题，因此对为其控制回路供电的电源效率、输出纹波特性、输入电压范围适应能力要求较高。因为开关电源相对于线性稳压电源效率大大提高，在开关器件合理选型的基础上，其电压输入范围也比线性电源更宽，因此在解决好滤波问题的前提下，相比于线性电源，开关电源具有很大的优越性。

随着电源技术的不断进步，开关电源朝着控制集成化、整体小型化发展，这得益于PWM芯片的功能集成化，例如本文设计所提到的TL2844B。该控制器为离线或DC-DC固定频率电流控制方案提供了必要的功能，并以数量最少的外围器件实现控制方案。而且该器件成本较低，使用方便，可直接驱动晶体管和MOSFET，其结构上的电压电流双环反馈调节系统可有效提高开关电源的电压调整率、负载调整率、系统稳定性和瞬态响应特性。

1 电源输入和输出要求

为了满足变频器对电机的可靠控制，在电压电流采样电路稳定工作的前提下，实现转矩控制算法的运行，为电动机提供持续高质量的电能，需要开关电源为主控板、电压电流采样模拟电路及IGBT驱动电路板提供稳定洁净的电源。而为了不增加额外的控制变压器，开关电源输入需要从变频器直流母线取得电压。根据变频系统需求，本文所述的开关电源应满足下表所列电源输入输出要求。

表1 输入输出需求表

2 PWM控制器内部原理

TL2844B内部集成了一路2.5V精密基准电压和一个欠压锁定电路，电流反馈和电压反馈引脚与内部逻辑电路共同实现脉冲宽度调制和故障状态下的封锁，电压反馈引脚上的电压经内部运算放大器跟随和电阻降压、稳压管稳压后得到1V以下的电压信号，通过接入电流反馈引脚的电流采样电阻上的分压信号，将反馈电压信号和电流检测电阻上的电压信号进行比较，经过逻辑电路对脉冲宽度进行调节和封锁等控制。时钟控制采用外部配置RC震荡电路进行设计，该芯片最大工作频率为500kHz。

3 开关电源设计

开关电源按起动方式分为反激式和正激式两种。单端反激式开关电源以主开关管的周期性导通和关断为主要特征。开关管导通时，变压器初级线圈内储存能量；而开关管关断时，变压器将初级线圈内储存的电感能量通过整流二极管给负载供电，直到下一个脉冲到来，开始新的周期。本开关电源硬件设计如图1所示，它主要由直流输入滤波电路、吸收电路、电流电压反馈和PWM调制电路以及输出侧整流滤波电路组成。当输入电压变化时，为了保持输出电压幅值稳定，PWM控制器调节脉冲占空比以适应输入电压的变化。

图1 开关电源原理图

3.1 输入滤波电容选择

电容C1为输入滤波电容，能够滤除输入电压中的高频干扰，得到较为稳定的输入电压。由于输入电压范围在700Vdc～1200Vdc，因此C1的额定电压选择为1500V。

3.2 缓冲吸收电路设计

开关管在关断的瞬间会产生很高的电压尖峰脉冲，这不仅很容易使开关管由于电压急剧升高而损坏，而且使电流采样和输出电压的波形出现很尖的脉冲，影响系统的稳定工作。为此，R18、R20、R25、C18和D11、D12构成RCD缓冲吸收电路，同时对于反激变压器，R1、R6、R9、C6和D6、D7组成的缓冲电路，也具有同样的作用，形成双重的保护。

3.3 反馈电路设计

由于该电路所接负载为固定负载，每一路电源负载容量已经确定，高频变压器已根据各路额定输出电压、电流进行设计，因此仅用+15V电压作为输出电压反馈。由于TL2844B供电电压5V～30V均可正常工作，因此+15V反馈电压也作为PWM控制器TL2844供电电源。

3.4 电流反馈和保护电路设计

电流的取样由三个并联的1.5Ω取样电阻R26～R28完成，其峰值电流由误差放大器控制，仅在MOS管开通时电流反馈和保护回路起作用。PWM芯片保护电流保护比较器同相输入端被钳位为1V，当电流Is=1V/0.5=2A时，电流保护比较器翻转状态经过触发器输出逻辑封锁PWM输出。

3.5 高频变压器设计

变压器有多种工作方式，在此用单端反激工作方式。其基本工作原理是当开关管受控导通时，高频变压器将电能变为磁能储存起来；而在开关管受控截止时，变压器就将原先储存的磁动势变为电能，通过二极管向输出电容充电，再由电容向负载供电。若PWM工作的占空比为D，n为初级和次级线圈匝数比，则输出电压Uo=DUi/[n(1-D)]。

4 测试结果

本电源已做成样板，并经过了输入输出调试，测试波形如图2，其中a为在输入电压为1000Vdc时，次级各路输出额定负载时，MOS管Vds波形，由图可知，尖峰电压已被控制在1100V以下，保证维持在MOS管额定耐压以下并留有足够的余量。b为+15V输出电压波形，由图可知，纹波电压Vpp在30mV以下，满足变频器各板件供电指标需求。