基于宽电压范围输入多路输出的开关电源设计

徐关澄，孟向军，吕 淼，孙 亮，陈 雪

（西安许继电力电子技术有限公司 新能源产品技术部，西安 710075）

开关电源又称交换式电源、开关变换器，是一种高频化电能转换装置。它利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定的输出电压。开关电源一般由脉冲宽度调制PWM（pulse width modulation）控制IC和MOSFET构成。

随着电力电子技术的发展和创新，开关电源技术也在不断地创新，其中高频化使开关电源小型化，并使开关电源进入更广泛的应用领域，特别是在高新技术领域的应用，推动了高新技术产品的小型化、轻便化[1]。其产品广泛应用于工业自动化控制、军工、科研、数码产品、电力电子及仪器等领域[2]。根据光伏类产品的项目需求，提出了基于宽输入多路输出的高压开关电源设计方案，设计功率为120 W，输入电压范围为DC 250～1000 V，输出4路DC 24，±12，15 V的开关电源，其纹波电压的峰值＜2%。该开关电源产品目前已经广泛应用于西安许继电力电子限公司的DCDC与DCAC模块及光伏逆变器、变流器产品中，并在多个合同项目的现场稳定运行。

1 开关电源总体设计

反激拓扑变换器具有高可靠性、电路拓扑简洁、输入输出电气隔离、升/降范围宽、易于多路输出等优点[3]。但是，由于反压的作用，反激电路的开关管所承受的电压往往高于输入电压，因此限制了反激电路在高压场合的应用。在随后出现的双管反激拓扑，由于每个功率开关管上施加的电压幅值不超过输入电压，尤其适合于高输入电压场合。

考虑到在此所设计的开关电源输入电压很高，而高压MOS管不宜采购，故设计采用双管反激拓扑。

主回路器件由开关管（金氧半场效晶体管MOSFET）、主变压器及输出整流二极管及控制电路等组成。主回路部分如图1所示。

图1 开关电源主回路总体框图Fig.1 Overall block diagram of main circuit of switching power supply

开关电源主回路的工作原理如下：从太阳能电池板输出直流电压250～1000 V，经过防反二极管，主回路拓扑为buck/boost型电路，经过输出整流二极管与电容的作用输出稳定的直流电。输出的电压通过反馈接至控制芯片，通过改变控制芯片输出PWM的脉冲宽度，从而达到稳压的作用。

2 主回路设计

2.1 变压器设计

变压器作为开关电源最重要的功率器件之一，设计的好坏决定着开关电源的优劣。

铁氧体在高频下具有电阻率高的特性，可以降低涡流损耗（铁损），而且价格低廉，特别是在工作频率＞100 kHz时，优势明显。PQ型铁芯的漏感小，磁路闭合性好，线圈间耦合紧密，电磁干扰小[3]，故变压器选择PC40材质、PQ型磁芯。PC40是日本TDK开发的铁氧体功率材料，是铁氧体功率材质中的基础材料，也是应用最广的材料[4]。

通常，采用面积乘积 AP（area product）法计算选择变压器的磁芯，即

其中，因不同的变压器拓扑，Pt差异较大，故取

式（1）中：Pt为变压器视在功率，V·A；J为电流密度，J=300～500 A/cm2， 典型值为400 A/cm2， 保守值为350 A/cm2；Ku为窗口面积使用系数，Ku=0．2～0．5，典型值为0．4；Kf为波形系数，即有效值与平均值之比，正弦波 Kf=4．44，方波 Kf=4，此处取 Kf=2；Aw为磁芯窗口面积；Ae为磁芯有效截面积；Bm为磁通密度； fs为开关频率，Hz。

由式（1）得出：选择 PQ32的骨架，PC40的磁芯；考虑到高频集肤效应，采用d=0．53 mm的导线，多股并绕。

2.2 控制电路设计

美国Unitrode公司电流控制型IC芯片UC384X（UC3842/3/4/5）系列。该芯片只有8个引脚，外围电路接线简单，所用器件少，且性能优越，成本低廉，驱动电平非常适合于驱动MOS场效应管。该系列中UC3844/5的最大占空比为50%。综合成本以及外围电路调试难易程度等方面，在此选用UC3844作为控制电路的核心芯片。UC3844使用SO-8封装，芯片的引脚功能见表1。结合具体设计，搭建芯片的外围电路如图2所示。

表1 UC3844各引脚功能Tab.1 Functions of UC3844 pins

图2 UC3844外围电路设计Fig.2 Peripheral circuit design of UC3844

2.3 驱动电路设计

由于电源板采用双管反激式变换器，2只MOSFET管需同时导通、同时截止，因此要求通过2个相同相位但又互相隔离的信号。在此使用1个双线路输出的隔离驱动变压器，既可以满足双管驱动的要求，又能使控制电路与电位浮动的功率开关管之间进行隔离[5]。

驱动电路如图3所示，C1为隔直电容，R1和R3为栅极驱动电阻，用于防止电流尖峰引起的高频振荡。稳压二极管Z1，Z2用于防止MOSFET正负驱动电压过高损坏管子。由于隔直电容C1的作用可以在关断所驱动的管子时提供一个负压，从而加速了功率管的关断，因此具有较高的抗干扰能力。R2，R4和稳压管可以提高MOS管的抗电压尖峰和抗干扰的能力。

搭建的驱动变压器PSIM模型如图3所示。按照AP发进行变压器计算，得出：变压器磁芯选择PC40，骨架选择 RM 型，原边电感量 Lp=400 μH，副边电感量Ls=800 μH；原边匝数Np=14匝，副边匝数Ns1=Ns2=20 匝 ；C1=0.1 μF，R1和 R2为开 通电 阻，R1=R2=51 Ω，R3=R4=5.1 kΩ。其波形如图4所示。

图3 驱动电路设计Fig.3 Design of drive circuit

2.4 副边输出整流二极管设计

整流二极管必须具有正向压降低、快速恢复的特点，还应具有足够的输出功率。副边整流二级管耐压为

图4 驱动电路PSIM仿真Fig.4 PIM simulation of drive circuit

式中：N2/N1为变压器匝比；Uin，max输入电压的最大值。式（2）为在理想状态下的理论计算值，然而二极管在实际运行中的情况并非如此简单。二极管换流和恢复过程中会出现尖峰电压和振荡过电压，漏感和引线电感在瞬变过程中产生的尖峰电压，瞬时短路的情况更为严重。一般地，选取整流管的反向电压约为理论计算值的2～3倍。

流过副边整流二级管的电流峰值为

式中：Dmax为开关电源的最大占空比。

由式（3）得出：选用意法电气公司的肖特基快恢复整流二极管STPS20200CT。

3 开关电源仿真实现

通过PSIM仿真来验证所设计开关电源的可行性。由于PSIM中没有UC3844的模型，故利用UC3844的模型及电路参数搭建了开关电源的PSIM仿真模型，如图5所示。

采用PSIM仿真模型，输出的波形如图6所示。图中，VP44为24 V输出，VP45为-12 V输出，VP47为5 V输出，VP48为反馈和驱动的12 V输出。

4 开关电源实物验证

根据上述试验结果及仿真验证，设计并且调试了开关电源。开关电源的硬件实物如图7所示。

该开关电源可以实现输入电压宽范围变化，可以从 DC 250 V～1000 V 的输入。输出电压 24，12，5，-12 V及950 V满载纹波测试的结果见表2。

在电源稳定运行10 min后，进行开关电源短路保护测试试验，结果如图8所示。

通过以上波形可以看出，当短路其中一路输出之后，电源会自动封锁脉冲来保护电源；当短路干扰去除之后，电源自动恢复脉冲输出（且恢复电压的过冲仅为1.2 V），使电源正常工作。

图5 开关电源PSIM仿真Fig.5 Simulation of switch power supply PSIM

图6 开关电源仿真输出Fig.6 Simulation output of switching power supply

图7 开关电源硬件实物Fig.7 Switching power supply hardware object

表2 四种输出电压的测试结果Tab.2 Test results of four kinds of output voltages

图8 短路保护测试试验结果Fig.8 Test results of short circuit protection

5 结语

提出了基于宽输入多路输出的高压开关电源设计方案。采用UC3844作为主控制芯片，搭建外围控制电路，设计了主变压器、驱动变压器、副边输出整流二极管等相关电路部分，并使用PSIM软件仿真验证了该方案的可行性；完成了开关电源的硬件的设计及调试。该电源具有短路保护功能及过流保护功能，使得电源具有较高的稳定性，芯片及外围电路简单，使得电源成本低廉；已在变流器系列产品、光伏逆变器系统及模块化产品实际工程中获得了成功的应用。