用于輸入交流400Hz場合的機載高頻開關(guān)電源解決方案
可用UC2854A控制主開關(guān)SWB,其緩沖電路是不需控制的,并且具有電路簡單的特點。其原理是將二極管DB反向恢復(fù)的能量和SWB關(guān)斷時儲存在C2中的能量在SWB導(dǎo)通時轉(zhuǎn)移到C1中。在SWB關(guān)斷時,L1中的儲能向C2充電,并通過D1、D2、D3轉(zhuǎn)移到CB中,同時也向CB放電,用這種電路實現(xiàn)了零電壓關(guān)斷和零電流導(dǎo)通,有效地減少損耗,提高了電路的效率和可靠性。
該電路的主要特點是:
開關(guān)SWB上最大電壓為輸出電壓VL。
Boost二極管DB上最大反向電壓為VL+VE,VE值由IR、L1、C1及C2的相關(guān)值決定。
開關(guān)SWB上最大電流上升率由L1和V1決定,并且導(dǎo)通損耗和應(yīng)力很小。
開關(guān)SWB上最大電壓率由C2決定,并且關(guān)斷功耗和應(yīng)力很小。
在開關(guān)周期中,為獲得電流和電壓上升率的控制而儲存在L1和C2中的能量最終又回到輸出電源中,這樣確保電路真正的無損耗工作。
2.IGBT/MOSFET并聯(lián)組合開關(guān)技術(shù)
圖3所示為IGBT/MOSFET并聯(lián)組合開關(guān)電路及工作波形圖。與MOSFET相比,IGBT通態(tài)電壓很低,電流在關(guān)斷時很快下降到初始值的5%,但減少到零的時間較長,約1~1.5μs,在硬開關(guān)模式下會導(dǎo)致很大的開關(guān)損耗。在組合開關(guān)中,并聯(lián)MOSFET在IGBT關(guān)斷1.5μs后,拖尾電流已減少到接近零時才關(guān)斷。
圖3 IGBT/MOSFET并聯(lián)組合開關(guān)電路及工作波形圖
這種技術(shù)因通態(tài)損耗很低而使得DC/DC變換器的效率很高。但需工作頻率相對較低,一般選取20~40kHz。由于半橋組合開關(guān)只需兩個開關(guān),總的開關(guān)器件的數(shù)目少,使可靠性顯著提高。
3.半橋電路平衡控制技術(shù)
通過控制和調(diào)整 IGBT/MOSFET柵驅(qū)動的延遲時間可使半橋平衡,避免變壓器偏磁飽和過流,燒毀開關(guān)管。這在脈沖較寬大時,很容易實現(xiàn)。但當(dāng)輕載或無載時,脈寬很窄 (例如小于0.3μs),此時的IGBT/MOSFET延遲已取消。因此在窄脈寬時,為保持其平衡,我們采用了一個低頻振蕩器。當(dāng)脈寬小于0.3μs時,振蕩器起振使PWM發(fā)生器間歇工作,保持脈寬不小于0.3μs,以維持半橋平衡,使其在無載時能正常工作。
由于工作頻率較低,組合開關(guān)的開關(guān)損耗很小,通態(tài)損耗也很小。
圖4 半橋電路平衡控制電路
4.多重環(huán)路控制電路
平均電流模式控制系統(tǒng)采用PI調(diào)節(jié)器,需要確定比例系數(shù)和零點兩個參數(shù)。調(diào)節(jié)器比例系數(shù)KP的計算原則是保證電流調(diào)節(jié)器輸出信號的上升階段斜率比鋸齒波斜率小,這樣電流環(huán)才會穩(wěn)定。零點選擇在較低的頻率范圍內(nèi),在開關(guān)頻率所對應(yīng)的角頻率的1/10~1/20處,以獲得在開環(huán)截止頻率處較充足的相位裕量。
另外,在PI調(diào)節(jié)器中增加一個位于開關(guān)頻率附近的極點,用來消除開關(guān)過程中產(chǎn)生的噪聲對控制電路的干擾,這樣的PI調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)如圖5所示。
圖5 具有濾波功能的PI調(diào)節(jié)器
控制電路的核心是電壓、電流反饋控制信號的設(shè)計。為了保證在系統(tǒng)穩(wěn)定性的前提下提高反應(yīng)速度,設(shè)計了以電壓環(huán)為主的多重環(huán)路控制技術(shù)。電流環(huán)響應(yīng)負載電流變化,并且有限流功能。設(shè)計電路增加了對輸出電感電流采樣后的差分放大,隔直后加入到反饋環(huán)中參與控制,調(diào)節(jié)器增益可通過后級帶電位器的放大環(huán)節(jié)進行調(diào)節(jié)。這樣電源工作在高精度恒壓狀態(tài)下,輸出動態(tài)響應(yīng),使電源在負載突變的情況下,沒有大的輸出電壓過沖。
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