一种基于SG3525的大功率开关电源的设计与实现

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。　　

图1　功率主威廉希尔官方网站 原理图

2、功率主威廉希尔官方网站

本电源模块采用半桥式功率逆变威廉希尔官方网站 。如图1所示，三相交流电经EMI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。再经过桥式整流威廉希尔官方网站 、滤波威廉希尔官方网站 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。半桥式功率变换威廉希尔官方网站 与全桥式功率变换威廉希尔官方网站 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，VL为输出负载电压，VM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VA=Vin/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VT1放电;当VT2导通、VT1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VT2放电。

当VT1导通、VT2截止时，VT2两端承受的电压为输入直流电压Vin。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威廉希尔官方网站 ，通过后续的LC滤波威廉希尔官方网站 ，消除高频纹波，减小输出直流电压的低频振荡。LC滤波威廉希尔官方网站 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威廉希尔官方网站 、振荡器、误差放大器、PWM比较器、欠压锁定威廉希尔官方网站 、软启动控制威廉希尔官方网站 、推拉输出形式。SG3525的基本外围威廉希尔官方网站 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RT（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RD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、过热故障时对威廉希尔官方网站 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）具有软启动威廉希尔官方网站 ，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Vref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的应用威廉希尔官方网站 及工作原理

利用SG3525建立的大功率直流开关电源控制威廉希尔官方网站 如图3所示，下面主要介绍调压和限流模块。

图3　SG3525外围控制威廉希尔官方网站

如图3，电压反馈威廉希尔官方网站 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Hp4504，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Uout升高时，光电耦合器的输出端发射极电流Ie呈线性增大，使发射极电压Ve增大，通过C2、C3、R4、R5的滤波稳压后输入到引脚1的V1也随之增大。当V1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Uout降低;反之，当Uout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V1的增大与减小反映了输出电压Uout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，以实现威廉希尔官方网站 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，用在反馈威廉希尔官方网站 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。

图4　赛米控SKYPER32PRO驱动模块

5、IGBT的驱动威廉希尔官方网站

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（Semikron）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。