一个适用单相、三相供电的开关电源的设计-电子工程世界

分享到: 微博; QQ; 微信; LinkedIn

1．引言

　　曾为某军用装备辅助操作训练，研制了一台28V/100A三相供电式开关电源，工作性能良好。但是，由于部队有时到野外训练，租借民用电源，只有单相电源供电。每当这种时候，该开关电源就无法发挥辅助训练的作用。为此，提出设计既适用单相，又适用三相供电的开关电源。

2．电源叙述

2．1 电源主要性能

　　电源的最高输出功率P0为2.8KW，输出额定电压U0为28V，设计工作开关频率为20KHZ。
2．2输入电路结构

　　为了尽可能简化电路，在三相供电的控制方案基础上，采用外带变压器的方法，实现单相供电。其原理电路如图1所示。三相电源供电时，A、B、C分别接三根火线；单相供电时，增加一个附属单相升压变压器，其原边接至电源，A、B、C任意两端接至单相变压器付边,利用原整流电路的两对二极管作单相全波整流，另一对二极管与EMI电路断开。

2．3主电路结构

　　从功率容量和尽可能降低开关电源装置的损耗和制作成本考虑，主电路采用了主开关元件为IGBT的全桥PWM变换电路。电路如图2所示。

[page]2．4控制电路

　　PWM控制电路采用的是UC3846。其应用电路主要部分如图3(a)所示，脚1所接R1、R2,决定初级限流值，并决定当过电流时器件是闭锁还是重新运行。CS+和CS-两端接过流信号，实施过流、过压自动保护。EA+和EA-两端是内部误差放大器输入端，接受来自输出电压和输出电流的误差信号，以实行导通/短开时间的控制，达到PWM占空比控制的目的。脚16SHUTDOWN端是封锁输出脉冲的接线端，接收过流、过压封锁信号，脚8和脚9外接决定开关频率的电阻RT和电容CT。控制输出端Bout（14脚）和Aout（11脚）分别接D触发器的置“1”端和置“0”端，通过触发器的延时翻转，在滞后桥臂上得到滞后超前臂开关信号一些时间的开关信号，通过主电路的软开关电路实现ZVS和ZCS。S1-S4是输出到IGBT驱动电路的控制信号，如图3(b)所示是一个IGBT的驱动电路。

[page]3．电路参数计算

　　对元件和参数作一个计算。开关频率及PWM控制脉冲宽度（占空比）是输出稳定性高低的关键，IGBT和高频整流快速恢复二极管是电源工作恢复高低的关键。

3．1 开关频率及占空比的计算

　　为了计算这两个参数，先设计高频变压器的匝比为10：1。因为电源输出电压U0为28V，所以高频变压器输入端的平均电压US’应为280V。由DC-DC变换原理可知：Us，/ Ud =D/T，而Ud=1.35UL，式中：UL---- 三相供电线有效值(380V),所以，D/T=280/513=0.545=0.55,由于是全桥式变换,所以每组开关的占空比Dp=D/2*T=0.2757T图4-a所示为一组开关的工作波形示意图。

　　综合对电源可靠性要求高,对电源体积要求较高等因素,确定开关电源频率为20KHZ,容易算出最小死区时间为11.25µs。
　　可见，有这样大的死区时间，可以保证在输入电压有较大波动情况下仍能使输出稳定不变。

3．2　IGBT的选择

　　对IGBT的选择，主要考虑正常工作时流过IGBT的电流有效值、平均电流和反向电压Uces。因为象开关损耗发热、工作条件严酷等因素都不能忽略，所以选择时，其元件的参数应取2倍以上安全系数,。由于是全桥式电路，且高频变压器变比为10 : 1 ,次级输出电流为连续的100A电流，所以流过变压器初级电流平均值IL（av）应为10A，流过每个IGBT的稳定电流波形如图4-b所示，其电流计算如下：
　　因为　

　　所以IGBT的稳态幅值电流为:

　　IGBT电流的有效值为：

　　在器件手册中，给出的IGBT元件参数额定电流是直流连续平均电流，而在实际工作中，IGBT的过流损坏一般是热效应引起的。所以综合成本和可靠性问题，常常选IGBT的额定电流大于工作电流有效值IT两倍以上。电路中，每个开关元件的工作电压均为电源电压Ud，即Uces=Ud=513V，所以IGBT的耐压应选择1000V以上。

3．3　次级整流二极管的选择

　　分析计算方法同IGBT的选择。流过二极管的峰值电流180A，平均电流IDav=50A,有效值电流ID=95A，所以选择IFav=200A,VRRM.≥100V的快速恢复二极管。

3．4　输入整流电路及附加单相升压变压器的确定

　　因为由三相供电时，Ud=1.35UL=1.35×1.707×UP。为了保证单相供电时,开关电源输出不变，显然，此时须有Ud’= Ud=1.35×1.707×UP。由单相全波整流原理知,其整流输出电压Ud’是整流输出电压有效值UX的1.1～1.2倍.所以由上式有: ( 1.1～1.2)UX=1.35×1.707×UP,其中UP是相电压。
　　所以,选择整流电路，其耐压值比三相时选高一些,同时,整流电流值也应比三相时大一些,一般选择大三分之一即可。变压器的匝比设计为1:2 即可满足要求。

4． PWM电路的选择

　　文章选择UC3846双输出电流型PWM控制器集成电路。该电路在开关频率为20KHZ时，其最大占空比可达50%，所以它的控制是有效和稳定的。

[page]5. IGBT的驱动和保护

　　IGBT的工作是由其栅极电压的正负来控制的,当UGE>0时,IGBT导通,当UGE<0时,(一般UGS≤-5V ),IGBT截止。考虑到它的特点和工作原理,选用了由正负双电源供电的M57962L型专用驱动集成电路。该电路有内藏定时逻辑短路保护电路,并且有保护延时功能。驱动保护原理电路如图3（b）所示。对IGBT除驱动电路本身提供的短路(过流)保护功能外，在IGBT上并联RC缓冲支路和电源两端并联吸收电容也是效果明显的方法。

6.结束语

　　本开关电源比较切合实际应用。因为整流电路的参数设计是按单相考虑的,用在三相供电时有充分的裕度,故使系统更加稳定可靠；用在单相供电时同样能正常工作。这就解决了开关电源因供电电源局限的矛盾。用这种方法,亦可对现有的开关电源作改造,使其成为单相,三相均可供电的开关电源。

参考文献

1．张站松蔡宣三开关电源的原理与设计 1998.05 电子工业出版社
2．赵效敏开关电源的设计与应用 1994.09 上海科学普及出版社
3．张瑾等　1500A高频开关型启动电源 2002.04第二期电力电子技术

关键字：适用单相三相电源开关电源编辑：冰封引用地址：一个适用单相、三相供电的开关电源的设计

上一篇：SPWM变频电源双闭环控制的设计和研究
下一篇：一种用IGCT实现高压大功率变频器的方法

推荐阅读最新更新时间：2023-10-18 16:24

具有两组15V直流和一组5V开关电源电路设计图

　　如图，J1为仪表的1、2号接线端子。VD3、C7、C9等将变压器T1低压绕组输出的交流电压整流、滤波后，输出的15V直流电供一组电路使用；VD4、C6、C8等组成另一组直流电源。GND1、GND2分别为两组电源各自的地端（公共端）。IC1、IC2、L3等组成5V开关电源，其原理L为抗干扰线圈，U为整流桥，T为变压器；IC1与IC2、IC3等构成开关电源，输出5V。IC5等构成5V电源。IC2为光耦合器。IC1为TOP221Y型集成开关电路。

[电源管理]

具有两组15V直流和一组5V<font color='red'>开关电源</font>电路设计图

三管齐下降低开关电源纹波

　　三管齐下降低开关电源纹波　　1、储能电感。储能电感在工作频率下的Q值越大越好，很多人只注意到电感量，其实Q值的影响要大得多，电感量只要满足要求允许在很大范围内波动。　　2、滤波电容。滤波电容的ESR和ESL是非常重要的参数，越低越好，仅追求容量是远远不够的，当然在满足足够低的ESR和ESL的前提下，容量大些较好。开关电源的滤波电容优选X7R或X5R电容与钽电解的组合，纹波稍放宽可用Y5V电容和瘦高外观的铝电解(低ESL型)配合。　　3、PCB设计。开关电源的PCB设计非常重要，在前两个条件都满足时如果纹波参数还是达不到手册中载明的数值，问题就可以肯定是出在PCB上，开关电源芯片的取样及滤波回路的设计非常讲究，PCB分布

[电源管理]

优化电源管理设计提高住宅用电效率

随着新型消费类产品的快速发展，我们可以肯定屋主将会不断购置其他设备，譬如家庭娱乐系统以及有线或无线网络设备，这些同样会造成待机和空载功耗的浪费。据估计，电力生产过程中排放的二氧化碳量大约占到了全部二氧化碳排放量的40%。因此，如果电力需求能有所下降的话，减少全球变暖和促进环境保护的工作就能取得重大进展。新的研究已经指出私人住宅的电力浪费非常之大，甚至早在入住前就已产生。同时，设备设计师们正面临不得不采取新的方法来设计出更节能产品的压力，而一部分压力则来自立法。供暖、空调、照明、烹饪和制冷曾被认为是私人住宅中首当其冲的“耗能大户”，并因此而备受关注。随后的法规开始将重心转移到环境温度控制和热水系

[电源管理]

优化<font color='red'>电源</font>管理设计提高住宅用电效率

绿色开关电源的设计要点

早又叫“绿色开关电源”，针对开关电源的“能源之星”已经有了多个版本，随着版本的升级，开关电源的效率越来越高，待机功耗越来越小，但设计难度也会越来越大。开关电源的效率一般在满载输出功率时测试，但CEC（美国加州）及“能源之星”规范中对设计的平均效率是在负载的四个测试点进行实际测量，行业共同关注的问题。　　随着现代科学技术的发展，器件的性能提高，特别是节能型电源芯片如雨后春笋般涌现，加上电路设计的成熟，要设计效率高、待机功耗小的节能型开关电源已是不太难的事情，设计节能型开关电源正是适应了节能减排的需求。近几年来，美国“能源之星”的实施对设计和制造高性能的节能型开关电源起到了推波助澜的作用。　　符合“能源之星”的开关电源又叫“

[电源管理]

利用废节能灯改制开关电源的设计

本文利用废节能灯电路改制为给随身听供电的开关电源，改制的开关电源电路如图所示，变压器B2左边部分为原节能灯元件，不再重述，原高频镇流电感线圈已由自制的高频变压器代替，B2及右边的元件为新增加的。B2用E5×7磁芯，初级用019mm的漆包线绕110匝，次级用031mm的漆包线绕16匝，中心抽头；VD3、VD4选用肖特基二极管或工作频率较高的整流二极管，切忌用1N4001～4007及1N5392等普通整流二极管，否则即使选用10A的普通整流二极管也会严重发热，无法使用；稳压集成块可选7805，最大输出电流约15A，输出电压为5V；B3为高频扼流圈，可减小辐射干扰，选高导磁量10的磁环，用041mm漆包线双绕并行穿

[电源管理]

利用废节能灯改制<font color='red'>开关电源</font>的设计

浅谈模拟电源、开关电源、数字电源的区别

　　在电源设计中我们如何选择电源模块，那么选择的前提是，我们得了解各种电源，了解各种电源的区别，那样我们才可以正确的选择电源模块。　　模拟电源介绍　　模拟电源：即变压器电源，通过铁芯、线圈来实现，线圈的匝数决定了两端的电压比，铁芯的作用是传递变化磁场，（我国）主线圈在50HZ频率下产生了变化的磁场，这个变化的磁场通过铁芯传递到副线圈，在副线圈里就产生了感应电压，于是变压器就实现了电压的转变。　　模拟电源的缺点：线圈、铁芯本身是导体，那么它们在转化电压的过程中会由于自感电流而发热（损耗），所以变压器的效率很低，一般不会超过35%。　　音响器材功放中变压器的应用：大功率功放需要变压器提供更多的功率输出，那么，只有通过线圈

[电源管理]

浅谈模拟<font color='red'>电源</font>、<font color='red'>开关电源</font>、数字<font color='red'>电源</font>的区别

详解开关电源维修方法与技巧

　　开关电源节材、省电、高效率已基本上取代了传统的变压器变压、二极管整流、晶体管稳压的电源。由于开关电源电路复杂，保护电路多，维修困难，要迅速排除开关电源的故障，对维修人员来讲，熟练掌握开关电源的基本组成和工作原理非常重要。现在大多数电子仪器所有开关电源主要由电磁干扰滤波器，防浪涌控制电路，整流滤波电路，开关变压器，开关元件，脉宽调制组件等元器件组成，已有许多开关电源在整流电路和滤波电路之间加有功率因校正电路，以提高电源的功率因数，使电源工作的电流波形与电压波同频同相，尽量消除电流中的谐波成分，开关电源的功率因数可达到99%。功率因数校正电路由开关器件和功率因数校正模块等构成。　　大多数升压型功率因数校正电路在其滤波电容上的电压

[电源管理]

特种单片开关电源模块的电路设计

引言特种集成开关电源主要包括以下5种类型： 1）复合型开关电源； 2）恒压／恒流（CV／CC）型开关电源； 3）截流输出型开关电源； 4）恒功率输出型开关电源； 5）其他专用开关电源，例如高速调制解调器（HighSpeedModem）电源、DVD电源等。　　特种单片开关电源有两种设计方案：第一种是采用通用单片开关电源集成电路（例如TOPSwitch－Ⅱ、TOPSwitch－FX、TOPSwitch－GX等系列），再配上电压控制环、电流控制环等外围电路设计而成的，其特点是输出功率较大，但外围电路复杂；第二种是采用最近问世的LinkSwitch系列高效率恒压／恒流式三端单片开关电源芯片，

[电源管理]

热门资源推荐
热门放大器推荐

小广播

热门活动

换一批

■验证并选择心仪MOSFET，探寻选型奥秘！注册、体验双重好礼等你拿~

■评论有奖：元器件采购的秘密法宝，助你做个自带“松弛感”的职场人！

■新栏目器件口碑专辑上线~快来点评吧！

■中星联华直播 | 高速信号完整性分析与测试 — “码”上行动系列线上讲堂

Vishay线上图书馆

白皮书技术文章视频热门推荐