低電壓大電流開關電流的設計
1 開關電源的設計
開關電源的基本結構主要由7部分組成：輸入整流濾波電路、高頻開關變換器電路、整流輸出電路、控制電路、保護電路、輔助電源以及顯示電路。
1．1 主電路
該設計的主電路拓撲結構如圖1所示，輸入市網(wǎng)220 V電壓，通過RC濾波及整流橋整流、全橋逆變、高頻變壓器、輸出整流以實現(xiàn)AC／DC／AC／DC的變換過程，最終得到所需要的15 V直流穩(wěn)壓電源。
1．1．1 輸入濾波整流(AC／DC)
低電壓大電流的開關電源對高頻干擾信號以及上電瞬間的浪涌電流十分敏感，為了保證電路穩(wěn)定工作，消除來自電網(wǎng)的各種干擾，輸入的220 V市電首先經(jīng)RC濾波電路，對尖峰電壓進行抑制。高頻濾波后的電壓經(jīng)整流電路整流，得到直流電壓。橋式整流電路后面的濾波電具有充放電作用，濾除整流后的交流成分。
1．1．2 高頻開關變換器(DC／AC)
它是開關電源的重要部分，逆變電路采用全橋變換，由4個IGBT開關管組成橋的四臂，每個IGBT并聯(lián)1個高速功率二極管，其鉗位作用以減小開關管由導通轉換為截止時，變壓器產(chǎn)生的電壓尖峰，以保護開關管不被擊穿。IGBT，絕緣柵雙極型晶體管，既具有輸入阻抗高、速度快、熱穩(wěn)定性好和驅動電路簡單的優(yōu)點，又有通態(tài)電壓低、耐壓高的優(yōu)點。開關管IGBT的柵極接收PWM信號，當門極加正壓，MOSFET內形成溝道，并為PNP晶體管提供基極電流，從而使IGBT導通。此時從P區(qū)注入到N區(qū)進行電導調制，減小N一的電阻值，使高耐壓的
IGBT也具有低的通態(tài)壓降。在門極上加負電壓時，MOSFET內的溝道消失。PNP晶體管的基極電流被切斷，IGBT關斷。T1、T4與，I2、 輪流高頻通斷，將直流電壓變成交流電壓，再經(jīng)高頻隔離變壓器變成所需的隔離輸出交流電壓。此處的高頻變壓器采用鐵基鈮銅納米晶環(huán)形鐵芯高頻變壓器，這種變壓器具有損耗小、漏感低、體積小等特點。
1．1．3 輸出整流濾波(AC／DC)
由高頻隔離變壓器輸出的逆變電壓，經(jīng)過大功率高頻整流二極管SBD(即肖特基二極管)構成的整流電路整流，再經(jīng)Lc濾波電路濾波后輸出直流電壓，輸出端的分流器對輸出進行采樣，傳送到控制電路進行控制調節(jié)，輸出穩(wěn)定的電壓。
1．2 控制電路
控制電路是開關電源穩(wěn)定工作的重要保證，選取UC3825作為控制芯片，它由振蕩器、PWM比較器、PWM鎖存器、輸出驅動器、限流比較器、過流比較器、基準電壓源、故障鎖存器、軟啟動電路、欠壓鎖定等組成。UC3825最高開關頻率可達到1 MHz，輸出脈沖最大傳輸延
遲時間為50 ns，具有軟啟動控制和欠壓鎖定等功能，應用UC3825的功能設計開關電源的控制電路，UC3825的2個脈沖輸出端為開關管IGBT提供PWM驅動信號，交替輸出脈沖。因此，每個輸出端輸出脈沖的頻率是振蕩器頻率的1／2，振蕩器的頻率為200 kHz，所以輸出PWM脈沖的頻率為100 kHz，輸出脈沖占空比在0％ ～50％以內調整，為了避免橋臂短路，常設置死區(qū)時間，因此實際應用中一般達不到50％ 。UC3825的4、6、11、14腳的波形如圖2所示，11、14腳波形經(jīng)驅動電路輸出耦合至IGBT的柵極，控制IGBT的開通和關斷。開關管的驅動電路如圖3所示。
在實際應用中，IGBT的驅動電路對IGBT的工作好壞具有相當大的影響，因此，驅動電路要具有幾點要求：能提供合適的正反向電壓，保證管子可靠的開通和關斷；動態(tài)驅動能力強；信號傳輸基本無延時，提高工作速度；當出現(xiàn)異常情況時，IGBT能實現(xiàn)軟關斷，對管子進行過壓、過流保護。使用的驅動電路能夠提供+15 V和一15 V的正向和反向電壓，開通和關斷延時控制在1 s內，且具有過壓和短路保護，另外，具有故障軟關斷功能。
為了得到穩(wěn)定的輸出，在輸出端進行實時采樣。如圖4所示，采樣電流流經(jīng)采樣電阻會產(chǎn)生一個壓降，將該壓降作為反饋信號，輸入到電壓比較器，與給定的基準電壓進行比較，產(chǎn)生一個差值，通過誤差放大器比較放大后，輸出的差值信號和鋸齒波(或三角波)比較，從而改變輸出脈沖的寬度，當輸出大于
基準電壓時，減小脈沖寬度占空比，反之，則增大占空比，以實現(xiàn)能得到一個穩(wěn)定的輸出。
1．3 保護電路
考慮到開關電源的特點和實際的電氣特性，為了使其能在惡劣環(huán)境以及突發(fā)故障情況下安全可靠地工作，在實際的制作中充分利用UC3825的特性，設計了電壓電流保護電路以及軟啟動保護等保護電路。軟啟動是通過軟啟動(SOFT、START)腳的外接電容實現(xiàn)的。接通電源后，軟啟動腳外接電容放電，該腳處于低電平，誤差放大器輸出低電平，開關電源無輸出電壓。當內部電流源給軟啟動腳外接電容充電時，誤差放大器輸出電壓逐漸升高，直到閉環(huán)調節(jié)功能開始工作，開關電源輸出電壓逐漸升高到額定值。一旦限流(ILIM)腳的電平超過1．2 V，故=障鎖存器置位，輸出腳變?yōu)榈碗娖剑煌瑫r，軟啟動腳外接電容以250 txA的電流放電。在軟啟動電容放完電后，限流腳電平降到1．2 V以下時，故障鎖存器就不輸出脈沖。這時，故障鎖存器復位，芯片開始軟啟動過程。過流保護和過壓保護是在主電路中采樣輸入到保護電路中，對電源起到保護作用。保護電路如圖5、圖6所示。
在開關變換電路和高頻變壓器之間加上一個檢測電流的互感器，將檢測量輸入到UC3825的9腳限流端，當檢測到開關
電流達到上限電流時，上限電流比較器輸出為高電平，比較器的輸出就是上限電流觸發(fā)器的S端，當S為高電平時，觸發(fā)器輸出為高，即觸發(fā)器輸出連接的NPN管子基極變高，NPN管子導通，F(xiàn)B被拉低，從而保護電路的過流問題。
在主電路輸出端直接實時采樣電壓，與給定電壓比較后，把信號放大，經(jīng)過隔離后輸入到UC3825的2腳，控制PWM信號的占空比，從而控制主電路輸出電壓的變化。過熱保護是通過檢驗系統(tǒng)中的熱繼電器通斷來具體實現(xiàn)的，當開關電源正常工作時，熱繼電器處于常通狀態(tài)，一旦溫度過熱，超過額定值，熱繼電器開關會斷開，通斷的信號會反饋到控制電路中，達到過熱保護的作用。
的顯示；以太網(wǎng)接口則是實現(xiàn)將數(shù)據(jù)遠傳調度中心功能 。該設計采用的嵌入式微處理器是以ARM7TDMI為內核的一款16／32位RISC處理器S3C44BOX，該處理器通過提供全面的、通用的片上外設，減少了外圍的元器件配置，從而使系統(tǒng)成本大為降低。該系統(tǒng)采用杭州立宇泰公司的開發(fā)板設計，其主要結構如圖5所示。
4 結束語
文中介紹的電力故障錄波器以DSP和ARM為核心，采用了硬件同步采樣技術及雙微處理器協(xié)同工作的方式，提高了故障錄波的精度、速度以及可靠性。與其他一些電力故障錄波器相比，該電力故障錄波器具有很高的實時性及數(shù)據(jù)測量精度、良好的擴展性及存儲能力、強大的網(wǎng)絡功能和通信能力。若以較優(yōu)的故障檢測、數(shù)據(jù)壓縮編碼等算法輔佐，將會提高該錄波器的性能。
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