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1、第 l 2 卷第1 l 期 2 01 0 年 1 1 月 电 子 元 器 件 焘 用 E l e c t r o n i c C o mp o n e n t De v i c e Ap p l i c a t i o n s Vo l 1 2 No 1 1 NO V 2 01 0 d o i l O 3 9 6 9 j i s s n 1 5 6 3 4 7 9 5 2 0 1 0 1 1 0 2 1 一 种宽输入双管反激式 开关电源的设计 甘颖 黄建 国 程 玉华 张羽丰 1 中国电子科技大学 自动化工程 学院测试计量研究所第八所 四川 成都6 1 1 7 3 1 2 中 国 自动化控 制
2、 系统 总公 司 北京 1 0 0 0 2 6 摘 要 光伏并网发电系统 中通常使用宽输入范围的开关电源来为低压微控制器 I G B T 驱动 器 以及L C D供 电 文 中介 绍 了一种 输入 范围为 1 2 0 8 0 0 V 输 出为2 0 W 1 A的 开 关 隔 离电源 的 设计方法 从 而有效地解决了光伏并网发电系统的供 电问题 关键 词 开 关 电源 P WM 变压 器 MO S F E T 0 引言 根据 太 阳能光伏发电系统研制技术协议 的规定 接人太 阳能光伏发 电系统的电池阵列在 最强光照的情况下 的开路 电压将不能超过7 5 0 V 最 低 不 低 于 1 2 0 V
3、 本 文 介 绍 的开 关 电源 就 是 在 1 2 0 7 5 0 V的输入电压范 围内能稳定地输 出 从 而使太阳能光伏并网发 电系统能在协议规定 的输 人范 围内稳定地为低压控制器 I G B T 驱动器以及 L C D 供电 并使系统可靠地工作 l 电路拓扑 本 设 计 的 电路 拓 扑 结 构 如 图 1 所 示 图 中 电流取样 电阻 图1 双 管反 激 式 拓 扑 结 构 收稿 E t 期 2 0 1 0 0 6 2 9 6 2 电 子 元 器 件 焘 硐 2 0 1 0 1 1 W W W e c d a c n 当V T 1 和V T 2 同时 导通 时 D C电源 和变 压
4、 器 初 级 组 成 回路 变压 器初 级 的 电流上 升 变 压器 的磁 通密度从初始的剩余磁通B r 上升到峰值B w 并将 能量存储在变压器中 这时 由于次级的二极管 V D 3 的截止作用 使得变压器不能向次级传送能 量 而当V T 1 和V T 2 同时关断 的时候 由于反激 的作用 变压器 初级 的电压反 向 钳位二极管 V D1 和V D 2 导通 以把原边绕组的反激 电压和开 关管上 的电压钳制在 电源 电压V d c 此时 存储 在 变压器 的 能量 一部 分 向副边 传 递 另 一部 分通 过钳位二极管返 回给电容C 1 和C 2 因而在反激时 间内 变压器的磁通密度从峰值
5、B w 下降到剩余磁 通 B r 经 过 一 段 时 间 V T 1 和V T 2 又 同 时 开 通 以 进 入 下 一 个 周 期 整 个 电 路 通 过 连 续 地 开 关 V T 1 和V T 2 就可 以得 到稳 定的直 流输 出 由于实际电路 的分布参数 以及开关管V T 1 和 V T 2 的属性并非完全相同 所以 V T 1 和V r 2 不是 完 全 同 时 开 关 当V T 1 先 关 断 时 变 压 器 初 级 T I V T 2 和V D 2 组成 回路 续 流 而 当V 1 2 关 断时 变压器储存的能量将向次级传送 同理 当V r r 2 先 关 断 变 压 器 初
6、 级T 1 V T 1 和VD 1 将 组 成 回路 续流 并 当V T 1 关断时 变压器存储的能量 向次 级传送 与一般采用单管加控制芯片的开关电源不同 的是 本设计采用了上下两个MO S F E T 这样做 的 目的一 是 可 以降 低 每个 开关 管 上 承 受 的 电压 第 l 2 卷第 1 l 期 2 0 1 0 钲1 l Y J 趣船参考 V o 1 1 2 N o 1 l NO V 2 01 0 二 是 两 个 开 关 管 不 需 要 采 用 两 个 控 制 芯 片 来 控 制 而只用一个P WM波就可以实现两个开关管 的 同时开通 和关 断 图2 所示是本设计 的主电路图 图
7、中 D1 和 D 2 主要 防 止 由于反 激 电压 串人 D C电源 引起 D C电 压波动 R1 和R 2 取值相 同 C 1 和C 2 的容值属性 均 相 同 这 样一 方 面可 以平 衡 C l 和C 2 上 的 电 压 另一方面可 以降低C1 的C 2 的耐压 V T 1 和V 1 2 共 用一个驱动信号 故可实现同时开通和关断 R 3 为采样 电阻 该主电路采用的是峰值 电流控制模 式 V T 4 的作用主要是外加保护 辅助绕组 的设 计主要是为控制电路供电 次级整流二极管后加 叮 T 型滤 波 器 的效果 要 比只用 电容 滤波 更 好 R 4 为 假 负 载 主 要是 防止 开
8、关 电源 的 空载 R 5 R 6 t 1 4 3 1 p c 8 1 7 R 7 共同组成反馈 电路 2 控 制电路的设计 本设计采用S G 6 8 4 1 高集成环保 模式P WM控 制器 该控制器采用电流模式 逐周期电流限制 的工作方式 可以实现软驱动图腾柱输 出的可调 控的P WM波形 其输 出电压可达1 8 V 足 以同时 驱动两路MO S F E T 本设计还在P WM输出端设计 了一个信号耦合变压器 这样可用 同一个P WM信 号来控制两个MO S F E T 使Q 1 和Q 2 同时开通和关 断 还可以实现驱动MO S F E T 信号的隔离 另外 该控制器也可以提供欠压锁定和
9、过温保 护功 能 当V D Dd 于1 0 V时 控制器 内部将锁定 不再 向 外发 送P WM波 DC IX 一 本设 计采用 负载绕 组给控 制芯 片S G 6 8 4 1 供 电 从主电路可知 辅助绕组和次级绕组处在相 同的工作方式下 这在设计变压器 的时候 只要根 据次级输 出就可 以确定辅助绕组 的设计 应 当注 意的是 在双管反激 电路中 两个开关管中间有 一 个悬浮地 因而不能直接驱动 所 以 这里采 用变压 器隔离驱动方法来使V T 1 和V rI 2 公用 同一 驱动信号 图3 所示是本设计的控制芯片电路及驱动电 路 图中 R3 接在直流 电压D C 端主要用来启动 当流入3
10、 脚的电流足够启动芯片的时候 芯片8 脚 G a t e 输出P WM波 从而使主电路导通 电源开始 工作 R 4 主要确定芯片输出P WM波 的频率 R 5 和C 5 组成 电流采样的匹配网路 由于芯片采用逐 周峰值电流工作方式 故在初级线 圈电流达到峰 值时 芯片将关断P WM波 变压器 向次级传送能 量 a o a c翔 F B R i R T F e e d 0 ac k v D D Z A W V 圈 图4 所示是其系统中的输入 欠压和输 出过压 保护电路 由于本开关电源设计采用 了输入过压 上 工 一 一 一 一 一 vT4 一 cl Q1G Q1s Fu sE 上 工 上 rVD
11、1 3 6 I 2 c4 I C5 c7 一 R 5 VD2 r R 2 1一 I C 2 VV V I 辅 助 线 I A ux iliary W in d in g Q 2 G I V T 2 m 广一 R 3 l IV SEN TL431 J H 电流取 样 电阻 一 4 广 一 R6 图2主 电路 图 似e c d o c n 2 0 1 0 1 1 电子元 器 件 盔 用 6 3 第l 2 卷第 1 l 期 2 0 1 0 正1 l fl 电 子元 器 件 羞 用 E l e c t r o n i c C o mp o n e n t De v i c e Ap p l i c a
12、 t i o n s Vo l 1 2 No 1 l NO V 2 01 0 图4输 入 欠压 和 输 出过 压 保 护 电路 和输入欠压保护 故当输入高于7 5 0 V或低于1 2 0 V时 比较器 的2 脚 电压值会 高于2 5 V或 比较器 的5 脚会低于2 5 V 本设计采用精密可调线性稳 压器T I A3 1 来 产生 2 5 V的基 准 源 并 分 别 给 比较 器的3 脚和6 脚供 电 这样 在 比较器的1 脚或7 脚 就会产生低 电平 Q 5 由于基级 电压过低而截止 线性光耦U 5 的发光二极管不能发光 这时 由于 Q 4 S 接到输出储能电容上 Q 4 G和Q 4 S 不能
13、组成通 路 所 以 加在Q 4 管的G S 间的电 U g s 为零 开 关管 Q 4 关 断 电源 不能 向后 面负 载供 电 从 而实 现欠压和过压保护功能 3 电路变压器的设计 采用两个开关管串联不会影响主电路 中变压 器的设计 故可根据 开关电源设计指南 中相 关介绍来计算变压器参数 本设计选用T D K公司 的P C 4 0 E E 2 5 高频磁性材料作为铁芯 变压器的 参数计算如下 初 级 线 圈的峰 值 电流 I L P 变压 器初 级 电感 输入 功 率 pin 1 励 磁 电流 变 压器 的有 效功 率 P L 一 l f 根 据反激式 变压器 的伏秒 面积相等原 理可 6
14、 4电子元 器 件 盔用2 0 1 0 1 1 W W W e c d Q c n 知 V1 t JNe V t s 因此 变压 器初次 级 匝 比为 7 v 初级绕组匝数为 链 变压 器 的气 隙为 1 0 式 中 A 为 有效 磁 芯 面 积 单位 为 c m 一 为最大磁通密度 单位为G 高斯Wb c m 2 4实验 结果 目前 笔者采用该技术成功地设计出了一种 输入范围为1 2 0 8 0 0 V 输出功率为2 0 w的辅助 开 关 电源 本设计采用直流1 2 0 8 0 0 V输入 输 出单路 为2 0 V 1 A 其实验的工作频率厂 为1 0 0 k H z 主变 压 器 选 用
15、P C 4 0 E E 2 5 高 频 磁 芯 驱 动 隔离 变压 器 选用T 5 7 R1 2 5 x 7 5 x 5 高频脉冲变压器磁芯 主开 关 V T 1 和 V T 2 选 用 A 4 M1 2 0 K N沟 道 MO S F E T 钳 位 二 极 管 V D1 和VD 2 选 用 H E R 3 0 8 肖特 基 二 极 管 整流二极管VD 3 选用C Q 5 0 4 保护 电路开关 管V D 4 选 用I R F 9 6 4 0 P 沟 道MO S F E T 5 结束语 实 验证 明 由于本设 计 采 用 了反激 式 拓扑 结 构 因此 电路工 作稳 定 度好 这 种结 构 的特 点 是整个 电路使用元器件少 本身 固有效率高 典 型效率为8 0 采用单片开关控制 整体设计 比 较经济 又因为和主功率 回路分开 从 而避免了 相互干扰 提高了可靠性 参 考 文 献 l 张 占松 开关电源原理及设计 M 北京 电子工业 出版 社 1 9 9 9 2 1 Ma r t yB r o w n 开关电源设计指 南 M 北京 机械 工业 出 版社 2 0 0 4 3 王兆安 黄俊 M 电h 电子技术 M 北京 机械 工业 出 版 社 2 O o 0
