低壓大電流開關(guān)電源的設計
1 引言
開關(guān)電源是應用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開關(guān)晶體管開通和關(guān)斷的時間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源。從上世紀90年代以來開關(guān)電源相繼進入各種電子、電器設備范疇，計算機、程控交流機、通訊、電子檢測設備電源、控制設備電源等都已普遍地運用了開關(guān)電源。隨著電源技術(shù)的展開，低電壓，大電流的開關(guān)電源因其技術(shù)含量高，應用廣，越來越遭到人們注重。在開關(guān)電源中，正激和反激式有著電路拓撲簡單，輸入輸出電氣隔離等優(yōu)點，普遍應用于中小功率電源變換場所。跟反激式相比，正激式變換器變壓器銅損較低，同時，正激式電路副邊紋波電壓電流衰減比反激式明顯，因此，普通以為正激式變換器適用在低壓，大電流，功率較大的場所。
2 基本技術(shù)
2．1 有源鉗位技術(shù)
正激DC／DC變換器其固有缺陷是功率晶體管截止期間高頻變壓器必需磁復位。以防變壓器死心飽和，因此必需采用特地的磁復位電路。通常采用的復位方式有三種，即傳統(tǒng)的附加繞組法、RCD鉗位法、有源鉗位法。三種方法各有優(yōu)缺陷：磁復位繞組法正激變換器的優(yōu)點是技術(shù)成熟可靠，磁化能量可無損地回饋到直流電路中去，可是附加的磁復位繞組使變壓器結(jié)構(gòu)復雜化,變壓器漏感惹起的關(guān)斷電壓尖峰需求RC緩沖電路來抑止，占空比D<0.5，功率開關(guān)管承受的電壓應力與輸入電源電壓成正比。RCD鉗位正激變換器的優(yōu)點是磁復位電路簡單，占空比D可以大于0.5，功率開關(guān)管承受電壓應力較低,但大部分磁化能量消耗在鉗位電阻中，因此它普通適用于變換效率不高且價廉的電源變換場所。有源鉗位技術(shù)是三種技術(shù)中效率最高的技術(shù)，它的電路圖如圖1所示，工作原理如圖2所示。在 DT時段之前，開關(guān)管S1導通，激磁電流iM為負，即從Cr經(jīng)過S1流向Tr，在DT階段，開關(guān)管S的驅(qū)動脈沖ugs使其導通，同時ugs1=0，使S1 關(guān)斷，在Vin的作用下，激磁電流由負變正，原邊功率經(jīng)過變壓器傳到副邊，給輸出端電感L充電；在（1－D）T時段，ugs=0，S關(guān)斷，ugs1到來使 S1導通，iM經(jīng)過S1的反并二極管向Cr充電，在Cr和Tr漏感構(gòu)成的諧振電路的作用下，iM由正變負，變壓器反向激磁。從以上分析中可以看出：有源鉗位正激變換器變壓器死心工作在雙向?qū)ΨQ磁化狀態(tài)，進步了死心應用率，鉗位電容的穩(wěn)態(tài)電壓隨開關(guān)占空比而自動調(diào)理，因而占空比可大于50％；Vo一定時，主開關(guān)、輔助開關(guān)應力隨Vin的變化不大；所以，在占空比和開關(guān)應力允許的范圍內(nèi)，能夠順應較大輸入電壓變化范圍的情況。缺乏之處是增加了一個管子，使得電路變得復雜。
2．2 同步整流技術(shù)
在低電壓大電流功率變換器中，若采用傳統(tǒng)的普通二極管或肖特基二極管整流由于其正導游通壓降大（低壓硅二極管正向壓降約0.7V，肖持基二極管正向壓降約 0.45V，新型低電壓肖特基二極管可達0.32V)，整流損耗成為變換器的主要損耗，無法滿足低電壓大電流開關(guān)電源高效率,小體積的需求。
MOSFET導通時的伏安特性為一線性電阻，稱為通態(tài)電阻RDS，低壓MOSFET新器件的通態(tài)電阻很小，如：IRL3102(20V，61A)、 IRL2203S(30V,116A)、IRL3803S(30V,100A)通態(tài)電阻分別為0.013Ω、0.007Ω和0.006Ω，它們在經(jīng)過 20A電流時，通態(tài)壓降不到0.3V。另外，功率MOSFET開關(guān)時間短,輸入阻抗高，這些特性使得MOSFET成為低電壓大電流功率變換器首選的整流器件。功率MOSFET是一種電壓型控制器件，它作為整流元件時，懇求控制電壓與待整流電壓的相位堅持同步才干完成整流功用，故稱為同步整流電路。圖1為典型的降壓型“同步”開關(guān)變換器電路(當電路中無SR時，為“普通”的降壓型開關(guān)變換器電路)。
3 電路的設計
所設計的電源參數(shù)如下：輸入電壓為50(1±10％)V,輸出電壓為3.3V,電流為20A,工作頻率為100kHz。
采用的主電路拓撲如圖1所示。由于有源鉗位采用的是FLYBACK型鉗位電路，它的鉗位電容電壓為：
Vc=Vin
所選用的控制IC芯片為UC3844，它的最大占空比為50％，所以電容上的電壓最大為Vin，電容耐壓為60V以上，只需選取足夠大即可保證電路能正常工作，本電路所選取的鉗位電容為47μF/100V。
有源鉗位管S1的驅(qū)動必需跟變壓器原邊的地隔分開，而且S1的驅(qū)動信號必需跟開關(guān)管S驅(qū)動信號反相，運用UCC3580可以完成兩個管子的驅(qū)動，可是這個芯片并不常見，因而這里選用UC3844跟IR2110組合。UC3844出來的控制信號用來作為IR2110的低端輸入，其反置信號作為IR2110的高端輸入，IR2110的高端驅(qū)動經(jīng)過內(nèi)部自舉電路來完成隔離。這樣，我們就抵達了驅(qū)動兩個開關(guān)管的目的。
在輸出整流電路中，當續(xù)流二極管（即SR的反并二極管）受正向電壓導通時，應及時驅(qū)動SR導通，以減小壓降和損耗。但為了避免SR與SR1同時導通，構(gòu)成短路事故，必需有“死區(qū)”時間，這時仍靠二極管D導通。SR的開關(guān)瞬時要與續(xù)流二極管的通斷瞬時密切配合，因此對開關(guān)速度懇求很高。另外，從本錢綜合思索，選用IRL3102。
變壓器的設計跟普通正激式變換器變壓器設計差不多，只是要思索同步整流管的驅(qū)動。所選用的同步整流管的驅(qū)動開通電壓為4V左右，電路輸出電壓為3.3V，輸出端相當于一個降壓型電路，占空比最大為0.5，所以變壓器副邊電壓至少為6.6V。由于MOSFET的柵－源間的硅氧化層耐壓有限，一旦被擊穿則永世損壞，所以理論上柵－源電壓最大值在20～30V之間，如電壓超越20V，應該在柵極上接穩(wěn)壓管。
4 實驗結(jié)果和波形分析
開關(guān)管S1和S的Uds波形如圖3所示，RefA為S管壓降波形，50V/div，RefB為S1管壓降波形，50V/div。電路此時工作在Vin= 60V左右，S1和S的開關(guān)應力大約為120V，D=0.5左右。圖4為變壓器輸出電壓，也就是同步整流管SR1和SR的驅(qū)動信號，正的部分為SR的驅(qū)動信號，負的部分為SR1的驅(qū)動信號。實驗所得波形和分析的波形基本吻合，只是在開關(guān)轉(zhuǎn)換瞬間，電壓有小尖峰，這是由電路的雜散參數(shù)惹起的。該電路的工作效率經(jīng)過丈量大約在90％左右，基本抵達設計的懇求。
5 結(jié)語
3.3V/20A的開關(guān)電源的設計標明，有源逆變加同步整流電路用在低壓大電流的正激式電路設計中，不加PFC電路時，能夠取得很高的效率。
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