5kW高稳定度电源模块概述
5kw高稳定度电源模块概述
摘要：简要地介绍了大功率开关电源模块的设计及一些注意事项。
关键词：igbt模块；脉宽调制；单片机；均流
1引言
随着微机在电力系统中的推广应用，相应对直流电源也提出了更高的要求，于是高频开关电源开始被电力系统所采纳。目前国内所生产的高频开关电源模块，单机功率普遍小，用于小容量直流系统，性能价格比绝对占优势，可靠性也比较高。而对于大容量直流系统，就必须并联许多模块，这样一方面使直流系统的可靠性大大降低，另一方面使造价升高，在市场竞争中，便无优势可言了。在这种形势下，就需要单机容量大的开关电源，本文介绍的开关电源，正是为此而设计的。 2控制电路
本电源控制电路采用的是motolola公司生产的tl494芯片，其内部结构方框图如图1所示。
tl494是一个固定频率的pwm控制电路，适用于设计所有的（单端或双端）开关电源典型电路，其主要性能如下：
1）输入电源dc7～40v，可用不稳压电源作输入电源，从而使辅助电源简化。tl494末级两只功率管在7～40v范围内工作时，最大输出电流可达250ma。因此，其负载能力较强，即可按推挽方式工作，也可将两路输出并联工作，小功率时可直接驱动。 2）内部有5v参考电压，使用方便，参考电压短路时，有下垂保护特性。
3）内部有一对运算放大器，可作反馈放大器及保护之用，控制很方便。
4）在高频开关电源中，输出方波必须对称，在其它一些应用中，又需要方波人为不对称，即需控制方波的占空比，通过对tl494第4脚（死区时间控制端）的控制，即可调节占空比，还可作输出软启动保护用。
5）可以选择单端，并联及交替三种方法输出。
对照图1可以看出tl494芯片的脚1及脚2为运算放大器输入，本电路作电压反馈，脚1为反馈输入，脚2在脚14上通过电阻从内部基准电压5v取分压，作为与脚1比较的基准。脚3为补偿校正，为pwm比较器输入，接入电阻及电容可以抑制振荡。脚4为死区控制，加在脚4上的电压越高，死区宽度越大。当其接地时，死区为零，即全输出，当其接5v时，死区最大，无输出脉冲。利用此特点，在脚4与脚14间接一电容，可达到输出软启动的目的，还可以做短
图1tl494方框图
路保护用。脚5及脚6为振荡器的接地电容，电阻，本电路振荡器振荡频率为50khz。脚14为内部参考电压＋5v。脚15及脚16为另一运算放大器输入，本电路即作电流反馈用，又作电流保护用，不用时，可将脚15及脚16在与地短接。
3功率变换部分
本电路功率变换部分采用igbt模块，组成半桥式电路，如图2所示。此部分是开关电源的核心，其性能的好坏直接影响整个电源的性能与可靠性。
3.1主电路
经过三相全波整流后约560v直流电压经输入滤波电容c2，c3分压，各承受约280v电压。当v1的门极电压ug1达到一定电平值时，v1导通，电容器c2经过v1的漏极?源极，变压器t的初级绕组放电，给次级传递能量。当v1截止时，v2的门极电压ug2也达到一定的电平值，使v2由截止转为导通，电容器c3经t的初级绕组及v2的漏极?源极放电，给次级传递能量。为了避免v1与v2同时导通造成直通故障损坏v1和v2，必须要保证v1和v2的门极驱动电压有一个共同截止的时间，称为控制脉冲的“死区”时间，要求“死区”时间必须大于v1和v2的最长导通饱和延迟时间。
3.2rc缓冲电路
如图2所示，以v1为例，当v1截止时，电容器c4通过r4充电，当v1导通时，电容器c4经r4放电，rc缓冲电路虽然消耗了一定量的功率，但却减轻了开关管关断瞬间的电压应力。
选择rc电路必须要保证以下两点：一是在开关管截止期间，必须能使电容器充电到接近uds电压；二是在开关管导通期间，必须使电容器上的电荷经过电阻全部放掉。
3.3门极抗干扰箝位保护电路
如图2所示，并联在igbt门极与发射极之间的稳压管，极性相反，串联在一起使用，其目的是把门极正向电压限制在20v以内，负偏压限制在15v以内，这样把加在门极的电压箝位到预定电平，从而有效地消除了干扰在驱动电路中产生的尖峰电压信号对igbt的潜在危害。
4驱动电路
igbt的门极驱动电路密切地关系到其静态和动态特性。门极电路的正偏压ugs、负偏压－ugs和门极电阻rg的大小，对igbt的通态电压，开关时间，开关损耗，承受短路能力以及dv/dt等参数均有不同程度的影响。
设计驱动电路的一些注意事项如下：
1）连线长度应尽量减少与igbt模块各管脚的连线长度，尤其是门极引线的长度。如果实在无法减少其长度，可以用小磁环或一个小电阻与门极串联。这两个元件应尽量靠近模块门极，它们可以消除寄生震荡。
2）精心布局器件尽量作到完全对称，连线尽量同长度并且尽量减短加粗，尽可能用多股绞线。
3）泄放电阻在igbt的门极与源极之间，应加11kω的泄放电阻。
4）正偏电压ugs的影响当ugs增加时，开通时间缩短，因而开通损耗减少，ugs的增加虽然对减小通态电压和开通损耗有利，但是ugs不能随意增加，当增加到一定程度后，对igbt的负载短路能力以及dv/dt有不利影响，本电路采用ugs=15v。
5）负偏电压－ugs的影响负偏电压是很重要的门极驱动条件，它直接影响igbt的可靠运行。过高的dv/dt会产生较大的位移电流，使门极?源极之间的电压上升，并超过igbt的门极阈值电压，于是产生一个较大的漏极脉冲浪涌电流，过大的漏极浪涌电流会使igbt发生不可控的擎住现象，为了避免igbt发生这种误触发，可在门极加反向偏置电压，本电路加－ugs=－12v。
6）门极电阻的影响门极电阻选用的原则为，在开关损耗不大的情况下，应选用较大的门极电阻，但当门极电阻增加时，igbt的开通与关断时间增加，进而使每脉冲的开通能耗eon和关断能耗eoff也增加，所以综合考虑本电路采用51ω。
图2功率变换部分电路图
5kw高稳定度电源模块概述
5功率变压器
功率变压器是开关电源的“心脏”，它的选材、计算及绕制方法等，将关系到所设计开关电源的成败及性能的好坏，必须给予高度重视。无论是处于主充还是浮充状态，当电网输入电压最低，稳压电源输出满载时，变压器必须仍能满足稳压系统的正常工作。
6滤波电路输出电感的设计
设计一个合理的输出电感，不仅可以使开关电源的体积减小，节约原材料，使之具有市场竞争力，而且更重要的是，它既可以存储能量，以便在开关功率管截止或“死区”时间内，能够给负载提供连续不断的电流；又能使输出的直流电压更平滑，使输出电压纹波能够达到比较理想的指标。 为了使滤波效果显著，可以增加线圈的匝数，为了减少热效应和趋肤效应，线圈绕制时采用多股铜线并绕或采用紫铜带绕制，层与层之间用0.1mm厚的高强度聚脂薄膜绝缘。所有绕组均要紧密绕制并做浸漆处理。7最大电流法自动均流
本电源可以多机并联同时运行，并联方式采用自动设定主模块和从模块的方式，即在n个并联的模块中，输出电流最大的模块，将自动成为主模块，而其余的模块则为从模块，它们的电压误差依此被整定，以校正负载电流分配的不均衡，又称为“自动主从控制法”。具体实现由单片机部分来完成，如图3所示。
在图3中，均流母线上的电压ub反映的是并联各模块中的最大值。由于二极管的单向性，只有对电流最大（电压最高）的模块，二极管才导通，a点电压方能通过它与均流母线相连。设正常情况下，各模块分配的电流是均衡的。如果某个模块电流突然间增大，成为n个模块中电流最大的一个，于是其输出电压最高，该模块便自动成为主模块，其它各模块成为从模块，这时候，ub=uimax，而各从模块的ui与ub(即uimax)比较，通过调整放大器调整基准电压，自动实现均流。需要说明的是，由于二极管总有正向压降，因此，主模块的均流会有误差，而从模块的均流则是较好的。
8设置保护
开关电源在工作中，尤其是大功率的，当有异常现象发生时，能否实现自身保护，将决定它的可靠性和是否具有适用性。本电源设有输入过压、输入欠压、输出欠压、温度、及过流保护。各种保护均通过单片机进行分析处理，大大提高了保护动作速度，从而避免了采用模拟电路实现保护所造成的动作速度慢的问题，电源的可靠性就自然而然地提高了。此种保护模式，很容易解决主逆变桥共态导通的问题。有故障时，保护动作，电源没有输出，当故障消失后，电源自动恢复工作。
9主要技术指标
交流输入电压三相380（1±20％）v50hz不分相序
输出直流电压0～300v
输出直流电流0～20a
稳压稳流精度≤0.01％
效率≥95％
运行方式100％连续
10结语
通过采用igbt功率模块研制的大功率开关电源，不仅电源体积减小，电路简单，而且成本下降、性能可靠、维护方便、操作简单。
参考文献
[1]胡存生,胡鹏.集成开关电源的设计制作调试与维护[m].
北京:人民邮电出版社,1995.
[2]李序葆,赵永健.电力电子器件及应用[m].北京:机械工
业出版社,1996.
[3]诸邦田.电子电路适用抗干扰技术[m].北京:人民邮电出
版社,1997.
[4]何希才.新型开关电源及应用[m].北京:人民邮电出版
社,1997.
[5]张占松,蔡宣三.开关电源的原理与设计[m].北京:电子
工业出版社,1998.
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1引言
随着微机在电力系统中的推广应用，相应对直流电源也提出了更高的要求，于是高频开关电源开始被电力系统所采纳。目前国内所生产的高频开关电源模块，单机功率普遍小，用于小容量直流系统，性能价格比绝对占优势，可靠性也比较高。而对于大容量直流系统，就必须并联许多模块，这样一方面使直流系统的可靠性大大降低，另一方面使造价升高，在市场竞争中，便无优势可言了。在这种形势下，就需要单机容量大的开关电源，本文介绍的开关电源，正是为此而设计的。 2控制电路
本电源控制电路采用的是motolola公司生产的tl494芯片，其内部结构方框图如图1所示。
tl494是一个固定频率的pwm控制电路，适用于设计所有的（单端或双端）开关电源典型电路，其主要性能如下：
1）输入电源dc7～40v，可用不稳压电源作输入电源，从而使辅助电源简化。tl494末级两只功率管在7～40v范围内工作时，最大输出电流可达250ma。因此，其负载能力较强，即可按推挽方式工作，也可将两路输出并联工作，小功率时可直接驱动。 2）内部有5v参考电压，使用方便，参考电压短路时，有下垂保护特性。
3）内部有一对运算放大器，可作反馈放大器及保护之用，控制很方便。
4）在高频开关电源中，输出方波必须对称，在其它一些应用中，又需要方波人为不对称，即需控制方波的占空比，通过对tl494第4脚（死区时间控制端）的控制，即可调节占空比，还可作输出软启动保护用。
5）可以选择单端，并联及交替三种方法输出。
对照图1可以看出tl494芯片的脚1及脚2为运算放大器输入，本电路作电压反馈，脚1为反馈输入，脚2在脚14上通过电阻从内部基准电压5v取分压，作为与脚1比较的基准。脚3为补偿校正，为pwm比较器输入，接入电阻及电容可以抑制振荡。脚4为死区控制，加在脚4上的电压越高，死区宽度越大。当其接地时，死区为零，即全输出，当其接5v时，死区最大，无输出脉冲。利用此特点，在脚4与脚14间接一电容，可达到输出软启动的目的，还可以做短
图1tl494方框图
路保护用。脚5及脚6为振荡器的接地电容，电阻，本电路振荡器振荡频率为50khz。脚14为内部参考电压＋5v。脚15及脚16为另一运算放大器输入，本电路即作电流反馈用，又作电流保护用，不用时，可将脚15及脚16在与地短接。
3功率变换部分
本电路功率变换部分采用igbt模块，组成半桥式电路，如图2所示。此部分是开关电源的核心，其性能的好坏直接影响整个电源的性能与可靠性。
3.1主电路
经过三相全波整流后约560v直流电压经输入滤波电容c2，c3分压，各承受约280v电压。当v1的门极电压ug1达到一定电平值时，v1导通，电容器c2经过v1的漏极?源极，变压器t的初级绕组放电，给次级传递能量。当v1截止时，v2的门极电压ug2也达到一定的电平值，使v2由截止转为导通，电容器c3经t的初级绕组及v2的漏极?源极放电，给次级传递能量。为了避免v1与v2同时导通造成直通故障损坏v1和v2，必须要保证v1和v2的门极驱动电压有一个共同截止的时间，称为控制脉冲的“死区”时间，要求“死区”时间必须大于v1和v2的最长导通饱和延迟时间。
3.2rc缓冲电路
如图2所示，以v1为例，当v1截止时，电容器c4通过r4充电，当v1导通时，电容器c4经r4放电，rc缓冲电路虽然消耗了一定量的功率，但却减轻了开关管关断瞬间的电压应力。
选择rc电路必须要保证以下两点：一是在开关管截止期间，必须能使电容器充电到接近uds电压；二是在开关管导通期间，必须使电容器上的电荷经过电阻全部放掉。
3.3门极抗干扰箝位保护电路
如图2所示，并联在igbt门极与发射极之间的稳压管，极性相反，串联在一起使用，其目的是把门极正向电压限制在20v以内，负偏压限制在15v以内，这样把加在门极的电压箝位到预定电平，从而有效地消除了干扰在驱动电路中产生的尖峰电压信号对igbt的潜在危害。
4驱动电路
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1）连线长度应尽量减少与igbt模块各管脚的连线长度，尤其是门极引线的长度。如果实在无法减少其长度，可以用小磁环或一个小电阻与门极串联。这两个元件应尽量靠近模块门极，它们可以消除寄生震荡。
2）精心布局器件尽量作到完全对称，连线尽量同长度并且尽量减短加粗，尽可能用多股绞线。
3）泄放电阻在igbt的门极与源极之间，应加11kω的泄放电阻。
4）正偏电压ugs的影响当ugs增加时，开通时间缩短，因而开通损耗减少，ugs的增加虽然对减小通态电压和开通损耗有利，但是ugs不能随意增加，当增加到一定程度后，对igbt的负载短路能力以及dv/dt有不利影响，本电路采用ugs=15v。
5）负偏电压－ugs的影响负偏电压是很重要的门极驱动条件，它直接影响igbt的可靠运行。过高的dv/dt会产生较大的位移电流，使门极?源极之间的电压上升，并超过igbt的门极阈值电压，于是产生一个较大的漏极脉冲浪涌电流，过大的漏极浪涌电流会使igbt发生不可控的擎住现象，为了避免igbt发生这种误触发，可在门极加反向偏置电压，本电路加－ugs=－12v。
6）门极电阻的影响门极电阻选用的原则为，在开关损耗不大的情况下，应选用较大的门极电阻，但当门极电阻增加时，igbt的开通与关断时间增加，进而使每脉冲的开通能耗eon和关断能耗eoff也增加，所以综合考虑本电路采用51ω。
图2功率变换部分电路图
5kw高稳定度电源模块概述
5功率变压器
功率变压器是开关电源的“心脏”，它的选材、计算及绕制方法等，将关系到所设计开关电源的成败及性能的好坏，必须给予高度重视。无论是处于主充还是浮充状态，当电网输入电压最低，稳压电源输出满载时，变压器必须仍能满足稳压系统的正常工作。
6滤波电路输出电感的设计
设计一个合理的输出电感，不仅可以使开关电源的体积减小，节约原材料，使之具有市场竞争力，而且更重要的是，它既可以存储能量，以便在开关功率管截止或“死区”时间内，能够给负载提供连续不断的电流；又能使输出的直流电压更平滑，使输出电压纹波能够达到比较理想的指标。 为了使滤波效果显著，可以增加线圈的匝数，为了减少热效应和趋肤效应，线圈绕制时采用多股铜线并绕或采用紫铜带绕制，层与层之间用0.1mm厚的高强度聚脂薄膜绝缘。所有绕组均要紧密绕制并做浸漆处理。7最大电流法自动均流
本电源可以多机并联同时运行，并联方式采用自动设定主模块和从模块的方式，即在n个并联的模块中，输出电流最大的模块，将自动成为主模块，而其余的模块则为从模块，它们的电压误差依此被整定，以校正负载电流分配的不均衡，又称为“自动主从控制法”。具体实现由单片机部分来完成，如图3所示。
在图3中，均流母线上的电压ub反映的是并联各模块中的最大值。由于二极管的单向性，只有对电流最大（电压最高）的模块，二极管才导通，a点电压方能通过它与均流母线相连。设正常情况下，各模块分配的电流是均衡的。如果某个模块电流突然间增大，成为n个模块中电流最大的一个，于是其输出电压最高，该模块便自动成为主模块，其它各模块成为从模块，这时候，ub=uimax，而各从模块的ui与ub(即uimax)比较，通过调整放大器调整基准电压，自动实现均流。需要说明的是，由于二极管总有正向压降，因此，主模块的均流会有误差，而从模块的均流则是较好的。
8设置保护
开关电源在工作中，尤其是大功率的，当有异常现象发生时，能否实现自身保护，将决定它的可靠性和是否具有适用性。本电源设有输入过压、输入欠压、输出欠压、温度、及过流保护。各种保护均通过单片机进行分析处理，大大提高了保护动作速度，从而避免了采用模拟电路实现保护所造成的动作速度慢的问题，电源的可靠性就自然而然地提高了。此种保护模式，很容易解决主逆变桥共态导通的问题。有故障时，保护动作，电源没有输出，当故障消失后，电源自动恢复工作。
9主要技术指标
交流输入电压三相380（1±20％）v50hz不分相序
输出直流电压0～300v
输出直流电流0～20a
稳压稳流精度≤0.01％
效率≥95％
运行方式100％连续
10结语
通过采用igbt功率模块研制的大功率开关电源，不仅电源体积减小，电路简单，而且成本下降、性能可靠、维护方便、操作简单。
参考文献
[1]胡存生,胡鹏.集成开关电源的设计制作调试与维护[m].
北京:人民邮电出版社,1995.
[2]李序葆,赵永健.电力电子器件及应用[m].北京:机械工
业出版社,1996.
[3]诸邦田.电子电路适用抗干扰技术[m].北京:人民邮电出
版社,1997.
[4]何希才.新型开关电源及应用[m].北京:人民邮电出版
社,1997.
[5]张占松,蔡宣三.开关电源的原理与设计[m].北京:电子
工业出版社,1998.
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