移相全橋開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)

1、基于DSP2812設(shè)計(jì)的全橋開(kāi)關(guān)電源 (1)類別：電子綜合 閱讀：968 引言 高頻開(kāi)關(guān)電源以其重量輕、體積小、高效節(jié)能、輸出紋波小、容量大等優(yōu)點(diǎn)，在通訊和低電壓行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用，且逐步在電力系統(tǒng)中得到應(yīng)用。尤其隨著電信業(yè)的迅猛發(fā)展，電信網(wǎng)絡(luò)總體規(guī)模不斷擴(kuò)大，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜先進(jìn)，作為通訊支撐系統(tǒng)的通訊用基礎(chǔ)電源系統(tǒng)，市場(chǎng)需求逐年增加，其動(dòng)力之源的重要性也日益突出。龐大的電信網(wǎng)絡(luò)高效、安全、有序的正常運(yùn)行，對(duì)通信電源系統(tǒng)的品質(zhì)提出了越來(lái)越嚴(yán)格的要求，推動(dòng)了通信電源向著高效率、高頻化、模塊化、數(shù)字化方向發(fā)展。近年來(lái)，由于軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展與成熟，已逐步應(yīng)用在開(kāi)關(guān)電源中，尤其在中大功率的全橋

2、變換器中應(yīng)用最為廣泛，這使電源轉(zhuǎn)換效率得到提高。由于傳統(tǒng)模擬控制電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一經(jīng)設(shè)計(jì)完成其控制策略就不能改變等缺點(diǎn)的存在，數(shù)字式控制方式得到發(fā)展。并隨著開(kāi)關(guān)電源在通訊，監(jiān)控等功能上的擴(kuò)展，數(shù)字電源已逐步取代傳統(tǒng)模擬電源。 1 系統(tǒng)框圖圖1為軟開(kāi)關(guān)全橋變換開(kāi)關(guān)電源拓?fù)?。虛線框以內(nèi)為控制電路，虛線框以上為主電路。主電路主要包括輸入整流濾波、功率因數(shù)校正，全橋變換電路、高頻變壓器、輸出濾波電路。控制電路主要由采樣電路、控制和保護(hù)單元、監(jiān)控單元等組成，并為了保證控制電路及相關(guān)電路正常工作還必須包括輔助電源。 本電源采用ZVSPWM拓?fù)?，單?20V交流輸入，經(jīng)過(guò)PFC模塊后為直流400V，主功率管采

3、用MOSFET管，控制部分由DSP控制電路，電壓電流雙閉環(huán)控制。輸出采用全波整流并進(jìn)行無(wú)源LC濾波。 2)全橋變換器設(shè)計(jì)全橋變換器電路如圖3所示。該拓?fù)渲蠱OS管采用IRFB20N50，流過(guò)的最大電流為20A，最大電壓為500V。 本電源采用ZVSPWM拓?fù)?，單?20V交流輸入，經(jīng)過(guò)PFC模塊后為直流400V，主功率管采用MOSFET管，控制部分由DSP控制電路，電壓電流雙閉環(huán)控制。輸出采用全波整流并進(jìn)行無(wú)源LC濾波。2 主電路設(shè)計(jì)針對(duì)48V20A的通訊高頻開(kāi)關(guān)電源，其主電路采用移相式全橋變換器拓?fù)?。移相全橋軟開(kāi)關(guān)控制器具有恒頻軟開(kāi)關(guān)運(yùn)行、移相控制實(shí)現(xiàn)方便、電流和電壓應(yīng)力小、巧妙應(yīng)用寄生電容

4、等優(yōu)點(diǎn)。移相控制作為全橋變換器特有的一種控制方式，是指保持每個(gè)開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間不變，同一橋臂的開(kāi)關(guān)管的相位互差180。然而對(duì)于全橋變換器來(lái)說(shuō)，當(dāng)只有對(duì)角的開(kāi)關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通時(shí)主變壓器才輸出功率。所以可以通過(guò)調(diào)節(jié)對(duì)角的兩個(gè)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通重疊角的寬度來(lái)進(jìn)行穩(wěn)壓控制，而在功率器件環(huán)流期間，它又利用變壓器的漏感以及功率半導(dǎo)體器件的結(jié)電容或者外加的附加電感電容的諧振來(lái)實(shí)現(xiàn)功率管的零電壓或者零電流換流。1）有源PFC設(shè)計(jì)有源功率因數(shù)校正技術(shù)的基本思想是在整流電路與濾波電容之間加入DCDC變換，通過(guò)適當(dāng)控制使輸入電流的波形自動(dòng)跟隨輸入電壓的波形，使輸入阻抗呈純阻性，即通過(guò)控制開(kāi)關(guān)元件，切換濾波電感和濾波電容充放電能

5、量實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)的提高。本設(shè)計(jì)中采用的是平均電流控制Boost功率因數(shù)校正電路，PFC控制芯片采用NCP1653。該P(yáng)FC控制芯片的主要工作原理是同時(shí)控制輸入電流與輸出電壓，而電流控制回路的命令是由整流后的線電壓所決定，所以可以使轉(zhuǎn)換器的輸入阻抗呈現(xiàn)電阻性。具體系統(tǒng)原理圖如圖2所示。2）全橋變換器設(shè)計(jì)全橋變換器電路如圖3所示。該拓?fù)渲蠱OS管采用IRFB20N50，流過(guò)的最大電流為20A，最大電壓為500V。3）驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示。PWM輸出與驅(qū)動(dòng)芯片之間采用安華高公司生產(chǎn)的高速光藕HCPL一0710，它的速度可達(dá)到15M。驅(qū)動(dòng)芯片采用國(guó)際整流器公司的IR2181，該芯片具有速度快，

6、驅(qū)動(dòng)電壓高等特點(diǎn)，特別適用于驅(qū)動(dòng)MOSFET、IGBT等器件。4）主變壓器的選擇高頻變壓器是DCDC變換器的核心元件，其作用有三點(diǎn)：能量轉(zhuǎn)換、電壓變換和輸入輸出之間的隔離。變壓器設(shè)計(jì)的好壞不僅影響變壓器本身的發(fā)熱和效率，同時(shí)也影響到開(kāi)關(guān)電源的技術(shù)性能和可靠性。同時(shí)，許多其他主電路元件的參數(shù)設(shè)計(jì)都依賴于變壓器的參數(shù)。因此，在主電路拓?fù)浯_定以后首先應(yīng)該進(jìn)行的是變壓器的設(shè)計(jì)。其設(shè)計(jì)步驟為：a、變壓器匝比的計(jì)算；b、變壓器磁芯的選擇；c、繞組匝數(shù)的計(jì)算；d、繞組導(dǎo)線規(guī)格的計(jì)算。（1）匝比的計(jì)算設(shè)定K為變壓器原副邊匝比，Udc（min）為輸入電壓的最小值，Dmax為副邊最大占空比，Uo為輸出直流電壓，U

7、D為輸出整流二極管的通態(tài)壓降，ULf為輸出濾波電感Lf上的直流壓降?？紤]到移相控制方案存在副邊占空比丟失現(xiàn)象，選擇副邊最大占空比為0.85，Uin（min）為PFC輸出電壓的最小值380V，假設(shè)輸出整流二極管通態(tài)壓降為1.5V，輸出濾波電感上的直流壓降為0.5V，則可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式 所以實(shí)際中取K=7（2）磁芯的計(jì)算在計(jì)算好匝比以后，可以根據(jù)以下經(jīng)驗(yàn)公式求解，Ae為磁芯磁路截面積；Ac為磁芯窗口面積；PT為變壓器傳輸功率；fs為開(kāi)關(guān)頻率；B為磁芯材料所允許的最大磁通密度的變化范圍；dc為變壓器繞組導(dǎo)線的電流密度；kc為繞組在磁芯窗口中的填充因數(shù)。并且我們將本設(shè)計(jì)中電源的參數(shù)代入求之得 根據(jù)以上的

8、計(jì)算并根據(jù)鐵氧體磁芯生產(chǎn)產(chǎn)家提供的技術(shù)手冊(cè)，我們可以選擇PQ5050磁芯，可以滿足要求。其中Ap=14.2024cm42.4cm4（3）匝數(shù)的計(jì)算選取好磁芯后，先計(jì)算副邊繞組匝數(shù)。 選定N2=4，根據(jù)匝比我們可以選定N1=28。（4）導(dǎo)線規(guī)格的選擇根據(jù)所計(jì)算的原副邊電流值，并考慮集膚效應(yīng)，采用電流密度為4Amm2的導(dǎo)線，可以計(jì)算得出所需導(dǎo)線的截面積為0.89mm2的，因此可以采用銅導(dǎo)線來(lái)進(jìn)行繞制，通過(guò)分析計(jì)算可以得出，我們采用0.4銅線8股并繞28圈作為初級(jí)繞組，因副邊有兩組繞組，所以通過(guò)它的電流有效值為0.632Io=12.64，所以其繞組截面積為3.16mm2，所以采用0.4銅線26股并繞

9、4圈作為次級(jí)繞組。5）諧振電感設(shè)計(jì)諧振電感用來(lái)實(shí)現(xiàn)滯后橋臂的零電壓開(kāi)關(guān)，為開(kāi)關(guān)管的零電壓開(kāi)關(guān)提供足夠的能量。為實(shí)現(xiàn)滯后橋臂的零電壓開(kāi)關(guān)，必須滿足 其中Lr是諧振電感，I是滯后橋臂開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)原邊電流的大小，CDS是開(kāi)關(guān)管漏源極電容，Udc是母線直流電壓。 其中諧振電感值按07倍滿載以上實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)，取負(fù)載電流為2A(取滿載電流的10)時(shí)濾波電感的電流臨界連續(xù)，即式中的脈動(dòng)量為4A。開(kāi)關(guān)管IRFB20N50的漏源極電容為85pF。所以將上述結(jié)果代入經(jīng)驗(yàn)公式可以得到 6）輸出濾波電路設(shè)計(jì)（1）輸出電感的選擇電感將決定在輸出側(cè)紋波電流的大小，且它的值與紋波電流的大小有關(guān)。電感值是以輸入側(cè)的交流

10、電流峰值所決定的。而交流側(cè)的峰值電流是出現(xiàn)在電壓為最小值時(shí)，根據(jù)一般的經(jīng)驗(yàn)考慮電感上的紋波電流取交流側(cè)峰值電流的20，所以。根據(jù)下述經(jīng)驗(yàn)公式可以得到電感L。 電感電流出現(xiàn)最大峰值時(shí)的占空比為（2）輸出電容的選擇輸出電容的選擇應(yīng)滿足最大輸出紋波電壓u的要求，而輸出紋波幾乎完全由濾波電容的等效串聯(lián)電阻的大小決定，通常通過(guò)選擇合適的等效串聯(lián)電阻來(lái)滿足輸出紋波電壓的峰一峰值的，這里取u為0.1V。因此有另外，對(duì)于鋁電解電容器，在很大容值及額定電壓范圍內(nèi)，其ResrCf的乘積基本不變，為5010-68010-6。根據(jù)ResrCf的平均值來(lái)求解Cf，即實(shí)際選用三個(gè)60V1000F的電解電容器并聯(lián)。3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主控制器采用DSP處理芯片，外擴(kuò)16位高速AD采樣，以滿足實(shí)時(shí)要求，控制算法采用模糊自適應(yīng)PID控制算法。控制程序主要由主程序和中斷程序組成。中斷包括定時(shí)器周期中斷、定時(shí)器下溢中斷、比較單元比較中斷。其中，每個(gè)比較單元均會(huì)在一個(gè)對(duì)稱PWM周期內(nèi)產(chǎn)生兩次匹配，一次匹配在前半周期的遞增計(jì)數(shù)期間，另一次匹配在后半周的遞減計(jì)數(shù)期間，所以兩個(gè)比較單元會(huì)在一個(gè)PWM周期內(nèi)通過(guò)四次中斷完成PWM輸出跳變。4 結(jié)束語(yǔ)以設(shè)計(jì)一款48V20A的數(shù)字通信開(kāi)關(guān)電源為目標(biāo)，通過(guò)對(duì)開(kāi)關(guān)電源技術(shù)的深入研究，提出了以Boost型功率因數(shù)校正電路和移相全橋軟