高頻開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)

1、摘要電子設(shè)備離不開(kāi)電源，電源供給電子設(shè)備所需要的能量，這就決定了電源在電子設(shè)備中的重要性。電源的質(zhì)量直接影響著電子設(shè)備的工作可靠性，所以電子設(shè)備對(duì)電源的要求日趨增高。現(xiàn)有的電源主要由線性穩(wěn)壓電源和開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源兩大類(lèi)組成。這兩類(lèi)電源由于各自的特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。線性穩(wěn)壓電源的優(yōu)點(diǎn)是穩(wěn)定性好、可靠性高、輸出電壓精度高、輸出紋波電壓小。它的不足之處是要求采用工頻變壓器和濾波器，它們的重量和體積都很大，并且調(diào)整管的功耗較大，是電源的效率大大降低，一般情況均不會(huì)超過(guò)50%。但它的優(yōu)良的輸出特性，使其在對(duì)電源性能要求較高的場(chǎng)合仍得到廣泛的應(yīng)用。相對(duì)線性穩(wěn)壓電源來(lái)說(shuō)，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的優(yōu)點(diǎn)更能滿足現(xiàn)代電子設(shè)備的要

2、求，從20世紀(jì)中期開(kāi)關(guān)電源問(wèn)世以來(lái)，由于它的突出優(yōu)點(diǎn)，使其在計(jì)算機(jī)、通信、航天、辦公和家用電器等方面得到了廣泛的應(yīng)用，大有取代線性穩(wěn)壓電源之勢(shì)。本課題是設(shè)計(jì)一種基于SG3525 PWM控制芯片為核心構(gòu)成的高頻開(kāi)關(guān)電源電路。關(guān)鍵詞：高頻開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源、SG3525、PWM目錄1 高頻開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源概述11.1 高頻開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源簡(jiǎn)介11.2 高頻開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的發(fā)展?fàn)顩r21.3高頻開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的基本原理32設(shè)計(jì)任務(wù)與分析42.1 任務(wù)要求42.2任務(wù)分析43 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案53.1系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)53.2 功率變換器電路設(shè)計(jì)63.2.1 全橋功率變換器工作原理63.2.2全橋功率變換器控制方式73.3控制

3、電路設(shè)計(jì)83.3.1 SG3525結(jié)構(gòu)和功能介紹83.3.2控制電路的設(shè)計(jì)93.4 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)103.5 輔助電源電路設(shè)計(jì)113.6過(guò)流檢測(cè)及保護(hù)電路設(shè)計(jì)133.6.1電力電子器件的緩沖電路133.6.2 電力電子器件的保護(hù)電路133.7整流器輸出電路設(shè)計(jì)15小結(jié)與體會(huì)16附錄1818高頻開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)1 高頻開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源概述1.1 高頻開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源簡(jiǎn)介電源裝置是電力電子技術(shù)應(yīng)用的一個(gè)重要領(lǐng)域,沒(méi)有它的存在，現(xiàn)代的各種電力設(shè)備和給我們生活帶來(lái)方便的各種電器將不可能實(shí)現(xiàn)。有相當(dāng)一部分設(shè)備和電器是使用直流電的，而接入家庭的是都是交流電，這就需要電源轉(zhuǎn)換成所需的直流電。各種AC-DC電源中高頻

4、開(kāi)關(guān)式直流穩(wěn)壓電源由于具有效率高、體積小、重量輕等突出優(yōu)點(diǎn)，而得到了廣泛應(yīng)用。開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的主要優(yōu)點(diǎn)有：（1）效率高：電源按硬開(kāi)關(guān)模式工作時(shí)開(kāi)關(guān)損耗大，高頻化可以縮小電源的體積重量，但開(kāi)關(guān)的損耗更大了，為此研究開(kāi)發(fā)出開(kāi)關(guān)電壓/電流波形不交疊的技術(shù)，即零電壓(ZVS) /零電流(ZCS)軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，有效的提高了開(kāi)關(guān)電源的效率。最近國(guó)外小功率AC-DC開(kāi)關(guān)電源模塊(48/12V)總效率可達(dá)到88%；48/5VAC-DC開(kāi)關(guān)電源模塊的效率可達(dá)到92-93%，二十世紀(jì)末，國(guó)產(chǎn)的50-100A輸出，全橋移相ZV-ZCS-PWM開(kāi)關(guān)電源模塊的效率超過(guò)93%。（2）可靠性和穩(wěn)定性較好；（3）體積小、重量輕：

5、例如在九十年代中期30A/48V開(kāi)關(guān)整流器模塊采用移相全橋ZVS-PWM技術(shù)后，僅重7kg。比用PWM技術(shù)的同類(lèi)產(chǎn)品，重量下降40%。（4）對(duì)供電電網(wǎng)電壓的波動(dòng)不敏感，在電網(wǎng)電壓波動(dòng)較大的情況下，仍維持較穩(wěn)定的輸出。 高頻穩(wěn)壓電源要求高功率密度，外型尺寸小，高效率，高可靠性，高功率因數(shù)，以及智能化，低成本，EMI小，分布電源結(jié)構(gòu)等?，F(xiàn)在功率MOSFET和IGBT己完全取代功率晶體管和中小電流的晶閘管，使開(kāi)關(guān)電源的高頻化有了可能：器件的工作頻率可達(dá)400KHz(AC-DC開(kāi)關(guān)變換器)和1MHz(DC-DC開(kāi)關(guān)變換器)，超快恢復(fù)功率二極管和MOSFET同步整流技術(shù)的開(kāi)發(fā)，也為研制高效，低電壓輸出(

6、U<3V)的開(kāi)關(guān)電源創(chuàng)造了條件。電流型控制及多環(huán)控制已得到較普遍應(yīng)用，電荷控制，一周期控制，數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)控制等技術(shù)的開(kāi)發(fā)及相應(yīng)專(zhuān)用集成控制芯片的研制，使電子電源動(dòng)態(tài)性能有很大提高，電路也有大幅度簡(jiǎn)化。電源裝置是電力電子技術(shù)應(yīng)用的一個(gè)重要領(lǐng)域，在現(xiàn)代的各種電力設(shè)備中都得到里廣泛的應(yīng)用。特別是在小型及各種家用電器和電子設(shè)備中大量使用了各種AC/DC轉(zhuǎn)化電路，其中高頻開(kāi)關(guān)式直流穩(wěn)壓電源由于具有效率高、體積小、重量輕等突出優(yōu)點(diǎn)而得到最為廣泛的應(yīng)用。1.2 高頻開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的發(fā)展?fàn)顩r （1）高頻化開(kāi)關(guān)電源采用高頻開(kāi)關(guān)調(diào)制，容易實(shí)現(xiàn)功率等級(jí)密集化。理論分析和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，電器產(chǎn)品的變壓器

7、、電感和電容的體積重量與供電頻率的平方根成反比。由于功率電子器件的工作頻率上限逐步提高，促使許多原來(lái)傳統(tǒng)設(shè)備高頻化。開(kāi)關(guān)電源一般采用10kHz100 kHz的高頻調(diào)制，隨著軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的發(fā)展，工作頻率還在不斷提高。（2）電源電路的模塊化、集成化模塊化有兩方面的含義，其一是指功率器件的模塊化，其二是指電源單元的模塊化。常見(jiàn)的的器件模塊含有一單元、兩單元、六單元直至更多單元器件。電源單元的模塊化，使單個(gè)有限功率等級(jí)的電源可以采用均流技術(shù)、熱拔插技術(shù)并聯(lián)，既擴(kuò)大了功率容量，滿足了大電流輸出的要求，又通過(guò)增加功率很?。ㄏ鄬?duì)整個(gè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)）的冗余電源模塊極大地提高了系統(tǒng)的可靠性。模塊化電源出現(xiàn)單模塊故障，也

8、不會(huì)影響系統(tǒng)的正常工作，而且為修復(fù)提供了充分的時(shí)間。（3）綠色化電源系統(tǒng)的綠色化有兩層含義：首先是節(jié)電，其次這些電源要減少對(duì)電網(wǎng)及其他電器的污染，國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）對(duì)此制定了一系列電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)（EMC）,如IEC555、IEC917、IEC1000等。我國(guó)電磁兼容問(wèn)題已廣泛受到政府、企業(yè)和消費(fèi)者的關(guān)注，參照相關(guān)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，制定了GB/T4365-1995等100多項(xiàng)電磁兼容國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，EMC認(rèn)證工作也于1999年正式開(kāi)展。20世紀(jì)末，各種有源濾波器和功率因數(shù)補(bǔ)償方案及專(zhuān)用芯片的生產(chǎn)，為21世紀(jì)批量生產(chǎn)各種綠色開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)品奠定了基礎(chǔ)。現(xiàn)代電力電子技術(shù)是開(kāi)關(guān)電源技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)。隨著新型電力電子器

9、件和適于更高開(kāi)關(guān)頻率的電路拓?fù)涞牟粩喑霈F(xiàn)，現(xiàn)代電源技術(shù)在實(shí)際需要的推動(dòng)下將快速發(fā)展，從而設(shè)計(jì)出性能更優(yōu)良的開(kāi)關(guān)電源。1.3高頻開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的基本原理 高頻開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源是需要直流電設(shè)備中常用的AC-DC轉(zhuǎn)換電源，它的作用是把公網(wǎng)上的220v交流電轉(zhuǎn)換成適用的直流電。公網(wǎng)上的工頻交流電先整流濾波為固定直流，通過(guò)功率變換（高頻逆變）得到2050KHz的高頻交流，然后再經(jīng)高頻整流與濾波，就得到所需的直流電。工頻整流濾波由橋式電路實(shí)現(xiàn)，功率變換由PWM控制芯片按周期控制開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通實(shí)現(xiàn)，高頻整流與濾波由副邊感應(yīng)線圈、二極管和電容組成的LCD電路實(shí)現(xiàn)。公網(wǎng)上的工頻交流電可通過(guò)橋式電路整流濾波后初步轉(zhuǎn)換成固

10、定直流即圖中的直流電源U 。由PWM控制芯片控制開(kāi)關(guān)管Q 的導(dǎo)通與否。當(dāng)開(kāi)關(guān)管Q 導(dǎo)通時(shí),忽略其飽和壓降,電源電壓U 加在主變?cè)?，副邊感?yīng)電壓于二極管D 極性相反使二極管D 反偏截止,副邊電路中無(wú)電流,直流電源U 供給的能量臨時(shí)儲(chǔ)存于主變?cè)呺姼兄小．?dāng)開(kāi)關(guān)管Q 截止時(shí),電感產(chǎn)生反壓,為上負(fù)下正，同時(shí)在副邊感應(yīng)出電壓,為上正下負(fù)與二極管D 極性相同使二極管D 導(dǎo)通,電容C 充電,同時(shí)給負(fù)載R 供電,主變?cè)厓?chǔ)能轉(zhuǎn)移到副邊從而得到釋放。當(dāng)開(kāi)關(guān)管Q 重新導(dǎo)通時(shí),電容C 給負(fù)載R 供電,同時(shí)主變?cè)呏匦聝?chǔ)能,如此反復(fù)電阻R 上就得到直流電。輸出電壓的大小由原副邊匝比n、占空比d 和輸入電壓U 來(lái)決定

11、。2設(shè)計(jì)任務(wù)與分析2.1 任務(wù)要求初始條件：設(shè)計(jì)高頻開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源，主電路采用半橋或全橋變換器，電壓：+12V，電流20A，功率300W。要求完成的主要任務(wù): 1. 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)。2. 功率變換器電路設(shè)計(jì)。3. 驅(qū)動(dòng)電路（如SG3525）及輔助電源（如LM317）電路設(shè)計(jì)。4. 過(guò)電流檢測(cè)與保護(hù)電路設(shè)計(jì)。5. 整流器輸出電路設(shè)計(jì)。2.2任務(wù)分析本次能力拓展訓(xùn)練要求設(shè)計(jì)高頻穩(wěn)壓電源，輸出電壓+12V，電流20A，功率300W。一般電壓小于100V，選用全波整流輸出。典型的由UC3824 構(gòu)成的他激型反激開(kāi)關(guān)電源常應(yīng)用于低于100W 的場(chǎng)合，不適合本次設(shè)計(jì)。本次設(shè)計(jì)采用全橋變換器，采用SG352

12、5 PWM控制芯片。3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案3.1系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)高頻開(kāi)關(guān)電源主要由輸入環(huán)節(jié)、功率變換電路以及控制驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路3大部分組成。如圖3.1為高頻開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的基本框圖。圖3.1 高頻開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的基本框圖高頻開(kāi)關(guān)電源由以下幾個(gè)部分組成：一、主電路從交流電網(wǎng)輸入、直流輸出的全過(guò)程，包括：1、輸入濾波器：其作用是將電網(wǎng)存在的雜波過(guò)濾，同時(shí)也阻礙本機(jī)產(chǎn)生的雜波反饋到公共電網(wǎng)。2、整流與濾波：將電網(wǎng)交流電源直接整流為較平滑的直流電，以供下一級(jí)變換。3、逆變：將整流后的直流電變?yōu)楦哳l交流電，這是高頻開(kāi)關(guān)電源的核心部分，頻率越高，體積、重量與輸出功率之比越小。4、輸出整流與濾波：根據(jù)負(fù)載需要，提供穩(wěn)定

13、可靠的直流電源。本設(shè)計(jì)方案的主電路采用單相交流輸入，全橋變換的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，逆變器主開(kāi)關(guān)器件采用VMOSFET，開(kāi)關(guān)頻率去50kHz。二、控制電路一方面從輸出端取樣，經(jīng)與設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，然后去控制逆變器，改變其頻率或脈寬，達(dá)到輸出穩(wěn)定，另一方面，根據(jù)測(cè)試電路提供的數(shù)據(jù)，經(jīng)保護(hù)電路鑒別，提供控制電路對(duì)整機(jī)進(jìn)行各種保護(hù)措施。本設(shè)計(jì)方案的控制、驅(qū)動(dòng)電路集成芯片為SG3525。三、檢測(cè)電路除了提供保護(hù)電路中正在運(yùn)行中各種參數(shù)外，還提供各種顯示儀表數(shù)據(jù)。四、輔助電源提供所有單一電路的不同要求電源。本設(shè)計(jì)的輔助電源采用LM317實(shí)現(xiàn)。3.2 功率變換器電路設(shè)計(jì)功率變換電路是開(kāi)關(guān)電源的核心部分，針對(duì)整流以

14、后不同的直流電壓功率變換電路有多種不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，本此設(shè)計(jì)采用的是全橋變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。3.2.1 全橋功率變換器工作原理全橋變換器由四個(gè)晶閘管組成，相對(duì)于半橋而言，功率晶體管及其驅(qū)動(dòng)裝置相應(yīng)的增加1倍，成本較高，但可用在要求功率較大的場(chǎng)合，有四個(gè)開(kāi)關(guān)管組成兩個(gè)橋臂。兩個(gè)橋臂分別導(dǎo)通激勵(lì)高頻功率變壓器，進(jìn)行能量變換，但是存在開(kāi)關(guān)管“直通”的危險(xiǎn)。 全橋電路原理圖如下圖3.2所示。由四個(gè)功率開(kāi)關(guān)器件V1V4組成，變壓器T連接在四橋臂中間，相對(duì)的兩只功率開(kāi)關(guān)器件V1、V4和V2、V3分別交替導(dǎo)通或截止，使變壓器T的次級(jí)有功率輸出。當(dāng)功率開(kāi)關(guān)器件V1、V4導(dǎo)通時(shí)，另一對(duì)V2、V3則截止，這時(shí)V2和V3

15、兩端承受的電壓為輸入電壓Uin在功率開(kāi)關(guān)器件關(guān)斷過(guò)程中產(chǎn)生的尖峰電壓被二極管V5V8箝位于輸入電壓Uin。圖3.2 全橋電路原理圖在全橋變換電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，主變壓器只需要一個(gè)原邊繞組，通過(guò)正、反向的電壓得到正、反向磁通，副邊有一個(gè)中心抽頭繞組采用全波整流輸出。因此，變壓器鐵心和繞組的最佳利用，使效率、功率密度得到提高。功率開(kāi)關(guān)在非常安全的情況下運(yùn)作。在一般情況下，最大的反向電壓不會(huì)超過(guò)電源電壓，四個(gè)能量恢復(fù)二極管能消除一部分由漏感產(chǎn)生的瞬間電壓。這樣無(wú)須設(shè)置能量恢復(fù)繞組，反激能量便得到恢復(fù)利用。當(dāng)然，全橋變換器需要功率元件較多。在導(dǎo)通的回路上，至少有兩個(gè)管壓降，因此功率損耗也比雙晶體管推挽式變

16、換器1 倍。但是在高壓離線開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)中，這些損耗還是可接受的。另外，能量恢復(fù)（再生）方式，由于有四個(gè)二極管，損耗略有增加。3.2.2全橋功率變換器控制方式全橋變換器本質(zhì)上有三種基本的控制方式：雙極性控制、有限雙極性控制和移相控制。雙極性控制方式控制電路簡(jiǎn)單，技術(shù)成熟，但開(kāi)關(guān)器件通常工作在硬開(kāi)關(guān)狀態(tài)，開(kāi)關(guān)管的電流和電壓尖峰很高，需要很大的安全工作區(qū)；移相控制方式是國(guó)內(nèi)外電源界研究的熱門(mén)課題，但尚存在不足；有限雙極性控制方式具有更多的優(yōu)越性，是中、大功率應(yīng)用場(chǎng)合的理想控制方式。本次設(shè)計(jì)選用有限雙極性控制方式。3.3控制電路設(shè)計(jì)控制電路的核心是根據(jù)反饋控制原理，將期望輸出電壓信號(hào)與實(shí)際輸出電壓信號(hào)

17、進(jìn)行比較，利用誤差信號(hào)對(duì)功率開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通與關(guān)斷比例進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)際輸出電壓維持在期望輸出電壓附近的目標(biāo)。本課題選用SG3525芯片做集成控制器。3.3.1 SG3525結(jié)構(gòu)和功能介紹PWM控制芯片SG3525 具體的引腳圖及內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3.3及圖3.4所示。其中腳16為SG352的基準(zhǔn)電壓源輸出，精度可以達(dá)到（5.1±1）V，采用了溫度補(bǔ)償，而且設(shè)有過(guò)流保護(hù)電路。腳5、腳6、腳7 內(nèi)有一個(gè)雙門(mén)限比較器，內(nèi)設(shè)電容充放電電路，加上外接的電阻電容電路共同構(gòu)成SG3525 的振蕩器。振蕩器還設(shè)有外同步輸入端(腳3)。腳1及腳2分別為芯片內(nèi)部誤差放大器的反相輸入端、同相輸入端。該放大器

18、是一個(gè)兩級(jí)差分放大器，直流開(kāi)環(huán)增益為70dB左右。根據(jù)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)、靜態(tài)特性要求，在誤差放大器的輸出腳9和腳1之間一般要添加適當(dāng)?shù)姆答佈a(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。 圖3.3 SG3525引腳圖圖3.4 SG3525內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖3.3.2控制電路的設(shè)計(jì)控制電路是開(kāi)關(guān)電源的核心部分，控制環(huán)節(jié)的好壞直接影響電路的整體性能，在這個(gè)電路中采用的是以SG3525芯片為核心的控制電路。如圖3.5所示,采用恒頻脈寬調(diào)制控制方式。誤差放大器的輸入信號(hào)是電壓反饋信號(hào),是由輸出電壓經(jīng)分壓電路獲取,與普通誤差放大器的接法不同的是該電壓反饋接成射極跟隨器形式，反饋信號(hào)比較精確，因而可以精確地控制占空比調(diào)節(jié)輸出電壓，提高了穩(wěn)壓精度。SG352

19、5芯片振蕩頻率的設(shè)定范圍為100500kHz,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。SG3525的振蕩頻率可表示為2：f s =1/(CT (0.7RT + 3Rd) 式中: CT , RT 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。此處CT、RT、Rd分別為圖中的C53、R47、R48，取值分別為2200p、10k、100，即頻率為62khz。 管腳8接一個(gè)電容的作用是用來(lái)軟啟動(dòng)，減少功率開(kāi)關(guān)管的開(kāi)機(jī)沖擊。11和14腳輸出采用圖騰柱輸出,本電路采用外加驅(qū)動(dòng)隔離電路，增強(qiáng)了驅(qū)動(dòng)能力和電源的可靠性。保護(hù)電路是開(kāi)關(guān)電源中必不可少的

20、補(bǔ)充，在這個(gè)電路中采用了輸入過(guò)流保護(hù)、輸出過(guò)流保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)等。輸入過(guò)流保護(hù)是通過(guò)在原邊主電路中串入小磁環(huán)，小磁環(huán)感應(yīng)電壓輸出經(jīng)過(guò) 整流橋?qū)㈦娏餍盘?hào)轉(zhuǎn)為電壓信號(hào)（plp）經(jīng)一個(gè)三極管接至軟啟動(dòng)8腳，當(dāng)原邊電流大于設(shè)定值即plp高于0.7v時(shí)則將8腳電壓拉低， 關(guān)斷3525的PWM的輸出從而保護(hù)電路。 圖3.5 控制電路3.4 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)MOSFET 為電壓控制型器件，驅(qū)動(dòng)功率小，所以驅(qū)動(dòng)電路也比較簡(jiǎn)單。驅(qū)動(dòng)電路要求能夠提供足夠的柵極電壓和柵極電容充電電流，并能瀉放柵極電荷。驅(qū)動(dòng)部分是連接控制部分和主電路的橋梁，能夠提供適當(dāng)?shù)恼蚝头聪蜉敵鲭妷?，使IGBT 可靠的開(kāi)通和關(guān)斷，提供足夠大的瞬態(tài)功

21、率或瞬時(shí)電流，使IGBT 能迅速建立柵控電場(chǎng)而導(dǎo)通，并且盡可能小的輸入輸出延遲時(shí)間，以提高工作效率。當(dāng)MOSFET 容量較大時(shí)，采用圖3.6所示的驅(qū)動(dòng)電路。該驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有負(fù)壓關(guān)斷能力，且驅(qū)動(dòng)功率大。R3、R5為串聯(lián)的柵極電阻，可以衰減由MOSFET輸入電容和在柵-源電路中的任何串聯(lián)引線電感所產(chǎn)生的高頻寄生振蕩，柵極-源極GS間并聯(lián)一支5.1K-20K的電阻，可以提高M(jìn)OSFET的耐壓，dv/dt耐量和抗干擾能力。為了防止在柵極施加過(guò)電壓，不論測(cè)試器件還是在電路中或者其他任何時(shí)刻，都要保證加在柵源之間的電壓Vgs不超過(guò)額定最大值,所以在GS間并兩只反串的穩(wěn)壓二極管1N4746，將Vgs

22、 鉗位至+-18V。圖3.6 驅(qū)動(dòng)電路3.5 輔助電源電路設(shè)計(jì) 輔助電源采用LM317構(gòu)成，LM317作為輸出電壓可變的集成三端穩(wěn)壓塊，是一種使用方便、應(yīng)用廣泛的集成穩(wěn)壓塊。317系列穩(wěn)壓塊的型號(hào)很多：例如LM317HVH、W317L等。穩(wěn)壓電源的輸出電壓可用下式計(jì)算，Vo=1.25（1+R2/R1）。僅僅從公式本身看，R1、R2的電阻值可以隨意設(shè)定。然而作為穩(wěn)壓電源的輸出電壓計(jì)算公式，R1和R2的阻值是不能隨意設(shè)定的。首先317穩(wěn)壓塊的輸出電壓變化范圍是Vo=1.25V37V（高輸出電壓的317穩(wěn)壓塊如LM317HVA、LM317HVK等，其輸出電壓變化范圍是Vo=1.25V45V），所以R

23、2/R1的比值范圍只能是028.6。其次是317穩(wěn)壓塊都有一個(gè)最小穩(wěn)定工作電流，有的資料稱(chēng)為最小輸出電流，也有的資料稱(chēng)為最小泄放電流。最小穩(wěn)定工作電流的值一般為1.5mA。由于317穩(wěn)壓塊的生產(chǎn)廠家不同、型號(hào)不同，其最小穩(wěn)定工作電流也不相同，但一般不大于5mA。當(dāng)317穩(wěn)壓塊的輸出電流小于其最小穩(wěn)定工作電流時(shí)，317穩(wěn)壓塊就不能正常工作。當(dāng)317穩(wěn)壓塊的輸出電流大于其最小穩(wěn)定工作電流時(shí)，317穩(wěn)壓塊就可以輸出穩(wěn)定的直流電壓。如果用317穩(wěn)壓塊制作穩(wěn)壓電源時(shí)，沒(méi)有注意317穩(wěn)壓塊的最小穩(wěn)定工作電流，那么穩(wěn)壓電源輸出的有載電壓和空載電壓差別較大。因此，在本次設(shè)計(jì)中，SG3525和EXB841均需要

24、可工作在20V電壓環(huán)境下，所以設(shè)置Uo 為20V，取電阻R1=200，電容C1、C2可分別去典型值0.1uF和1uF，由上式可得R=(Vo/1.251)R1 =(20/1.251)×200 = 3K。在應(yīng)用中，為了電路的穩(wěn)定工作，在一般情況下，還需要接二極管作為保護(hù)電路，防止電路中的電容放電時(shí)的高壓把317燒壞。LM317構(gòu)成的輔助電源如圖3.7所示圖3.7 LM317 輔助電源電路圖3.6過(guò)流檢測(cè)及保護(hù)電路設(shè)計(jì)3.6.1電力電子器件的緩沖電路用于電能變換的電力半導(dǎo)體器件絕大多數(shù)工作在開(kāi)關(guān)工作模式，開(kāi)關(guān)損耗是影響其正常運(yùn)行的重要因素。在硬開(kāi)關(guān)工作方式下，增加緩沖電路是正確使用器件的有

25、效措施，其主要作用是：抑制開(kāi)關(guān)器件的、，改變開(kāi)關(guān)軌跡，減少開(kāi)關(guān)損耗，使之工作在安全工作區(qū)內(nèi)。由于緩沖電路對(duì)自關(guān)斷器件的安全運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用，因此人們研究了多種緩沖電路。開(kāi)關(guān)器件在開(kāi)通時(shí)，緩沖電路電感中儲(chǔ)存有磁能，而開(kāi)關(guān)器件關(guān)斷時(shí)，關(guān)斷緩沖電路中電容儲(chǔ)存有電能，這些能量都以熱的形式消耗在緩沖電路的電阻上。在普通晶閘管的應(yīng)用中，通常選用無(wú)極性緩沖電路。在晶閘管回路中串入電感以抑制關(guān)斷時(shí)瞬時(shí)過(guò)電壓，并且防止因過(guò)大而引起的誤觸發(fā)。采用GTO、BJT、IGBT等自關(guān)斷器件時(shí)，由于它們的工作頻率比SCR高得多，因此有必要采用有極性緩沖電路，以便加快電容或者電感的抑制作用。應(yīng)該指出，耗能式緩沖電路能夠

26、減小開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)損耗，是因?yàn)榘验_(kāi)關(guān)損耗從器件本身轉(zhuǎn)移至緩沖器內(nèi)，然后再消耗在電阻上，也就是說(shuō)，開(kāi)關(guān)器件的損耗減少了，安全運(yùn)行得到了保證，但總的開(kāi)關(guān)損耗并不一定減少。為了回收這部分能量，人們還研究出了各種饋能式緩沖電路，以減少實(shí)際的電能損耗。但是由于整機(jī)體積的限制和附加元件的成本問(wèn)題，使饋能式緩沖器推廣應(yīng)用受到了很大的限制。3.6.2 電力電子器件的保護(hù)電路電力電子器件均有安全工作區(qū)的限制，也就是說(shuō)都有電流、電壓和瞬時(shí)功耗的極限值。盡管在設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)合理選擇器件，但一些不可預(yù)見(jiàn)的故障會(huì)威脅到器件的安全，所以必須采取保護(hù)措施，主要包括：（1）過(guò)電流保護(hù)：為了防止橋臂中兩個(gè)開(kāi)關(guān)器件直通，通常對(duì)兩個(gè)開(kāi)關(guān)

27、器件的驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行互鎖并設(shè)置死區(qū)。由于負(fù)載短路、元器件損壞等原因，電力電子裝置會(huì)出現(xiàn)過(guò)電流或短路故障，應(yīng)該在過(guò)載及短路時(shí)對(duì)裝置進(jìn)行保護(hù)。（2）電流信號(hào)的檢測(cè)：電流檢測(cè)信號(hào)用于反饋控制及保護(hù)環(huán)節(jié)，要求取樣可靠、準(zhǔn)確。電流信號(hào)的檢測(cè)與傳送對(duì)電力電子裝置是一個(gè)很重要的環(huán)節(jié)。電流信號(hào)檢測(cè)的關(guān)鍵是正確選擇和使用檢測(cè)元件。根據(jù)響應(yīng)速度的快慢，電流檢測(cè)元件可分為慢速型電流檢測(cè)元件和快速型電流檢測(cè)元件。（3）輸出過(guò)壓保護(hù)：如果裝置反饋環(huán)節(jié)出現(xiàn)問(wèn)題，輸出電壓可能過(guò)高，影響負(fù)載的安全，此時(shí)應(yīng)該采取封鎖驅(qū)動(dòng)信號(hào)的保護(hù)措施；但負(fù)載突變往往也會(huì)引起輸出端電壓短時(shí)變化，為了不出現(xiàn)誤保護(hù)，過(guò)壓保護(hù)一般應(yīng)具有反延時(shí)特性，即過(guò)

28、壓越多，保護(hù)延時(shí)越短，反之則較長(zhǎng)。反延時(shí)的保護(hù)思想也適用于過(guò)流等保護(hù)。輸出過(guò)電壓檢測(cè)應(yīng)該設(shè)置在輸出端，輸出是交流電壓時(shí)可使用電壓互感器（變壓器）檢測(cè)；輸出是直流電壓則可采用電阻分壓或電壓霍爾取樣。（4）輸入瞬態(tài)電壓抑制：交流電網(wǎng)上使用的用電設(shè)備由于受電磁感應(yīng)、雷電天氣的影響，常常會(huì)遭受瞬態(tài)高壓的襲擊，尤其在強(qiáng)烈的雷電發(fā)生時(shí)電網(wǎng)上瞬時(shí)產(chǎn)生數(shù)千伏高壓是常有的事，其時(shí)間雖短，但它攜帶的能量足以在瞬間內(nèi)損壞開(kāi)關(guān)電源中的電子器件。應(yīng)付這種瞬態(tài)電壓的方法很多，一種簡(jiǎn)單的方法是在交流線路間放置金屬氧化物壓敏電阻MOV，這種器件是一種可變電阻，當(dāng)瞬態(tài)電壓出現(xiàn)時(shí)，其阻值迅速地下降到最低值，將輸入電壓限制在安全范

29、圍內(nèi)，讓瞬態(tài)能量消耗在電阻體內(nèi)。選擇這種器件必須遵守兩條原則：一是MOV器件的額定電壓應(yīng)大于電源穩(wěn)態(tài)最大工作電壓的20%左右；二是應(yīng)計(jì)算或估算電路可能遇到的瞬時(shí)沖擊能量的大小以確定MOV器件吸收瞬態(tài)沖擊電流的額定值，然后根據(jù)器件制造商提供的產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)選擇合適的器件。（5）輸入欠壓保護(hù)：如果輸入電壓過(guò)低，開(kāi)關(guān)器件的工作電流將過(guò)大，可能超過(guò)其最大電流值而燒壞。如果蓄電池過(guò)低壓供電，放電電流必然過(guò)大，可能造成蓄電池永久損壞。因此對(duì)有些裝置需要設(shè)置欠壓保護(hù)電路。（6）過(guò)溫保護(hù)：如果裝置內(nèi)部溫度過(guò)高，可能是散熱系統(tǒng)發(fā)生故障，也可能是嚴(yán)重過(guò)載，這樣會(huì)威脅開(kāi)關(guān)器件的安全，應(yīng)該采取封鎖驅(qū)動(dòng)信號(hào)等保護(hù)措施。溫度

30、檢測(cè)可以采用不同溫度等級(jí)的常開(kāi)或常閉溫度開(kāi)關(guān)。例如，70度的常閉溫度開(kāi)關(guān)是指：開(kāi)關(guān)一般情況下閉合，溫度達(dá)到或超過(guò)70度開(kāi)關(guān)就斷開(kāi)。（7）器件控制極保護(hù)：電力電子裝置中所用的主開(kāi)關(guān)器件以電壓型開(kāi)關(guān)器件占主導(dǎo)地位，它們的控制特性好，驅(qū)動(dòng)功率小，但控制極比電流型開(kāi)關(guān)器件容易損壞，應(yīng)該注意控制極的保護(hù)。此外，開(kāi)關(guān)管控制極的狀態(tài)會(huì)影響器件的耐壓水平。如BJT的基極反偏的集-射極擊穿電壓比基極開(kāi)路時(shí)大的多。因此，開(kāi)關(guān)管斷態(tài)時(shí)，控制極最好加上反偏壓。（8）自鎖式保護(hù)電路：如果在電路發(fā)生故障時(shí)，封鎖驅(qū)動(dòng)信號(hào)，故障消失后，立即放開(kāi)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，不一定能夠?qū)ρb置起到保護(hù)作用。因?yàn)榉怄i了驅(qū)動(dòng)信號(hào)，裝置就停止運(yùn)行，檢測(cè)到的信號(hào)反映不出故障，裝置可能會(huì)反復(fù)起、停，因此，對(duì)于短路等嚴(yán)重故障，應(yīng)該采用自鎖式保護(hù)電路。保護(hù)電路的類(lèi)型和控制方法比較多，應(yīng)根據(jù)裝置的特點(diǎn)和用戶要求設(shè)計(jì)。3.7整流器輸出電路設(shè)計(jì)全波整流、倍流整流、全橋整流是輸出變換器中常用的幾種副邊整流電路。根據(jù)三種電路各自不同的特點(diǎn)，通常在輸出電壓較低的情況下（100V）采用全波整流電路比較合適，而在高壓輸出的情況下，應(yīng)采用全橋型整流電