基于SG3525的大功率开关电源的研制

1　引言

随着电子技术的高速发展， 电子设备的种类与日俱增。任何电子设备都离不开可靠的供电电源， 对电源供电质量的要求也越来越高， 而开关电源在效率、重量、体积等方面相对于传统的晶体管线性电源具有显着优势。正是由于开关电源的这些特点， 它在新兴的电子设备中得到广泛应用， 已逐渐取代了连续控制式的线性电源。

图1　功率主电路原理图

2　功率主电路

本电源模块采用半桥式功率逆变电路。如图1 所示， 三相交流电经EM I 滤波器滤波， 大大减少了交流电源输入的电磁干扰， 同时防止开关电源产生的谐波串扰到输入电源端。再经过桥式整流电路、滤波电路变成直流电压加在P、N 两点间。P、N 之间接入一个小容量、高耐压的无感电容， 起到高频滤波的作用。半桥式功率变换电路与全桥式功率变换电路类似， 只是其中两个功率开关器件改由两个容量相等的电容C1 和C2代替。在实际应用中为了提高电容的容量以及耐压程度， C1 和C2 往往采用由多个等值电容并联组成的电容组。C1、C2 的容量选值应尽可能大， 以减小输出电压的纹波系数和低频振荡。由于对体积和重量的限制， C1和C2 的值不可能无限大， 为使输出电压的纹波达到规定的要求， 该电容值有一个计算公式 , 即：

式中， IL 为输出负载电流， V L 为输出负载电压，V M 为输入交流电压幅值， f 为输入交流电频率， VU为输出的纹波电压值。

这是一个理论上的计算公式， 得到的满足要求的电容计算值比较大， 实际取的电容应尽量大一些， 由于输出端电压较小， 也可以在二次整流滤波时加大电容，这样折算到该公式的电容值也不小。C1 和C2 在这里实现了静态时分压， 使V A= V in/2。

当VT1导通、VT2截止时， 输入电流方向为图中虚线方向， 向C2 充电， 同时C1通过V T1 放电; 当V T 2 导通、V T 1 截止时， 输入电流方向为图中实线方向， 向C1 充电， 同时C2 通过V T 2 放电。

当V T1 导通、V T 2 截止时，V T 2 两端承受的电压为输入直流电压V in。IGBT 的集- 射极间并接RC 吸收网络， 降低开关管的开关应力， 减小IGBT 关断产生的尖峰电压; 并联二极管实现续流的作用。二次整流采用单相桥式整流电路， 通过后续的LC 滤波电路， 消除高频纹波， 减小输出直流电压的低频振荡。LC 滤波电路中的电容由多个高耐压、大容量的电容并联组成， 以提高电源的可靠性， 使输出直流电压更加平稳。

3　PWM 集成芯片SG3525 的功能特点

SG3525 是一款功能齐全、通用性强的单片集成PWM 芯片。它采用恒频脉宽调制控制方案， 适合于各种开关电源、斩波器的控制。其主要功能包括基准电压产生电路、振荡器、误差放大器、PWM 比较器、欠压锁定电路、软启动控制电路、推拉输出形式。SG3525 的基本外围电路接线图如图2 所示。该芯片与其它同类型的芯片相比具有许多突出的特点。

图2　SG3525 的基本外围接线图

(1) 频率可调， 一般通过改变CT 和R T (见图2) 的值来调节PWM 波的输出频率， 其频率的计算公式为：

(2) 死区时间可调， 通过调节R D 即可改变死区时间的大小， 防止逆变桥的上下桥臂直通。

(3) 具有PWM 脉冲信号封锁功能， 当10 脚电压高于2. 5V 时， 可及时封锁脉冲输出， 防止出现过压、过流、过热故障时对电路产生危害。

(4) 芯片内振荡器工作频率为100Hz～ 400kHz。设有引脚3 为同步端， 为多个SG3525 联用提供方便。

(5) 具有软启动电路， 比较器的反相输入端即软启动控制端芯片的引脚8, 可外接软启动电容C。该电容器内部的基准电压V ref由恒流源供电， 达到2. 5V 的时间t= (2.5V /50uA )C, 占空比由小到大(50% ) 变化。

(6) 内置PWM (脉宽调制) 锁存器将比较器送来的置位信号锁存， 并将误差放大器上的噪声、振铃及系统所有的跳动和振荡信号消除。只有在下一个时钟周期才能重新置位， 系统的可靠性高。

4　SG3525 的应用电路及工作原理

利用SG3525 建立的大功率直流开关电源控制电路如图3 所示， 下面主要介绍调压和限流模块。

图3　SG3525 外围控制电路[!--empirenews.page--]

如图3, 电压反馈电路通过光电耦合器实现了强电输出部分与弱电控制部分的隔离。光电耦合器采用的是Hp 4504, 当输入端电流在0～ 4mA 之间的时候， 输入与输出之间的电流传递比呈线性关系， 设计的时候选择合适的限流电阻， 控制输入端电流在0～ 3mA 之间变化。当输出电压U out升高时， 光电耦合器的输出端发射极电流I e 呈线性增大， 使发射极电压V e 增大， 通过C2、C3、R 4、R 5 的滤波稳压后输入到引脚1 的V 1 也随之增大。当V 1 增大时， 经误差放大9 脚电压下降， 比较器输出的脉冲宽度变宽， 11 和14 脚输出的PWM 脉冲宽度反而变窄， 从而使输出电压U out降低; 反之， 当U out下降使1 脚电压减小， 9 脚电压升高， 11 和14 脚输出的PWM 脉冲宽度变宽。总之， 1 脚电压V 1 的增大与减小反映了输出电压U out的上升与下降， 最终都表现在11、14 脚输出PWM 脉冲的宽窄变化上， 以实现电路的自动稳压调节。

利用光耦电流传输比的线性段， 可以做到输入输出的线性变化， 用在反馈电路当中， 不仅降低了成本，而且使输入与输出隔离， 同时在稳压效果上也能与电压传感器相媲美， 在实际应用当中， 不失为一种可取的方法。

通过输出端电流传感器得到的电流采样信号V i与给定的限流基准电压U refi作比较， 外接负载变化使输出电流U out变化时，V i 也会相应的改变。当Iout增大使V i 大于V refi时， 运算放大器L 1A 的输出端V b 为低电平。此时，L 2A 的输出端V 2 将被直接拉低为低电平， 2脚相当于接地， 输出端11 和14 脚无脉冲输出， 开关电源出现“打嗝”现象， 起到了限流作用。与此同时， 输出电流Iout减小使得V 2 再次被拉高， 11 和14 脚恢复脉冲输出， 开关电源正常工作， 以此达到输出电流的动态平衡过程。

图4　赛米控SKYPER32PRO 驱动模块

5　IGBT 的驱动电路

IGBT 的触发和关断要求给其栅极和发射极之间加上正向和反向电压， 并且需要一定的动态驱动功率，才能保证IGBT 的及时触发和关断。

本电源的IGBT 驱动采用赛米控(Sem ik ron )SKYPER32PRO 驱动模块。该控制核是一个半桥式驱动模块， 集驱动、内部隔离、电气保护于一体。与同类型的产品相比， SKYPER32PRO 具有许多特点。

(1) 采用具有双向传输功能的脉冲变压器， 通过这种方法在原边与副边之间传输驱动信号和状态信号，并将能量传递到副边。

(2) 该组件设计为即插即用， 使用方便， 并且已经进行了全面的电测试和温度测试。

(3) 采用单电源供电模式， 同时对驱动桥臂的双边供电。

(4) 具有短脉冲抑制功能， 能自动修复由SG3525送出的双路PWM 波， 使波形更加平稳。

(5) 具有VCE 监测、欠压监测、欠压复位和死区互锁功能等。

6　样机研制

主要技术指标：

输入电压： 三相AC380V ±5%

输出电压：DC220V ±2%

输出电流： 50A

额定功率： 11kW

所得试验样机额定负载时的输出波形如图5 (a) 所示。由图5 (a) 实际读数可知， 输出电压从0V 上升到220V 的响应时间为1s 左右， 电源系统具有较快的响应速度。同时， 由图5 (b) 中的电压波形局部放大图可见， 输出电压为220V 时， 电压波动在2V 左右， 其最大电压波动小于1%。

图5

7　结论

利用SG3525 和SKYPER32PRO 的强大功能设计了一台11kW、220V 的直流开关电源。本电源设计简单， 调试方便， 所需元器件较少， 体积小， 成本低。负载在全范围内变化时， 本电源均能够保持良好的输出性能。试验数据表明指标满足设计要求， 输出纹波系数控制在小于1% 的范围内。