【導讀】本文介紹的開關(guān)電源即適合單相供電，也適合三相供電。是如何設(shè)計做到的呢？ 主要是該設(shè)計中的整流電路參數(shù)是按照單相設(shè)計，對于三相供電就增加了穩(wěn)定性。解決開關(guān)電源因供電電源局限的矛盾的同時，還可以實現(xiàn)單相、三相均可供電。
本文將介紹的開關(guān)電源比較切合實際應用。因為整流電路的參數(shù)設(shè)計是按單相考慮的，用在三相供電時有充分的裕度，故使系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠；用在單相供電時同樣能正常工作。這就解決了開關(guān)電源因供電電源局限的矛盾。用這種方法，亦可對現(xiàn)有的開關(guān)電源作改造，使其成為單相、三相均可供電的開關(guān)電源。
電源敘述
1、電源主要性能
電源的最高輸出功率P0為2.8KW，輸出額定電壓U0為28V，設(shè)計工作開關(guān)頻率為20KHZ。
2、輸入電路結(jié)構(gòu)
為了盡可能簡化電路，在三相供電的控制方案基礎(chǔ)上，采用外帶變壓器的方法，實現(xiàn)單相供電。其原理電路如圖1所示。三相電源供電時，A、B、C分別接三根火線；單相供電時，增加一個附屬單相升壓變壓器，其原邊接至電源，A、B、C任意兩端接至單相變壓器付邊，利用原整流電路的兩對二極管作單相全波整流，另一對二極管與EMI電路斷開。
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3、主電路結(jié)構(gòu)
從功率容量和盡可能降低開關(guān)電源裝置的損耗和制作成本考慮，主電路采用了主開關(guān)元件為IGBT的全橋PWM變換電路。電路如圖2所示。
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4、控制電路
PWM控制電路采用的是UC3846。其應用電路主要部分如圖3(a)所示，腳1所接R1、R2,決定初級限流值，并決定當過電流時器件是閉鎖還是重新運行。CS+和CS-兩端接過流信號，實施過流、過壓自動保護。EA+和EA-兩端是內(nèi)部誤差放大器輸入端，接受來自輸出電壓和輸出電流的誤差信號，以實行導通/短開時間的控制，達到PWM占空比控制的目的。腳16SHUTDOWN端是封鎖輸出脈沖的接線端，接收過流、過壓封鎖信號，腳8和腳9外接決定開關(guān)頻率的電阻RT和電容CT?？刂戚敵龆薆out(14腳)和Aout(11腳)分別接D觸發(fā)器的置“1”端和置“0”端，通過觸發(fā)器的延時翻轉(zhuǎn)，在滯后橋臂上得到滯后超前臂開關(guān)信號一些時間的開關(guān)信號，通過主電路的軟開關(guān)電路實現(xiàn)ZVS和ZCS。S1-S4是輸出到IGBT驅(qū)動電路的控制信號，如圖3(b)所示是一個IGBT的驅(qū)動電路。
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電路參數(shù)計算
對元件和參數(shù)作一個計算。開關(guān)頻率及PWM控制脈沖寬度(占空比)是輸出穩(wěn)定性高低的關(guān)鍵，IGBT和高頻整流快速恢復二極管是電源工作恢復高低的關(guān)鍵。
1、開關(guān)頻率及占空比的計算
為了計算這兩個參數(shù)，先設(shè)計高頻變壓器的匝比為10：1。因為電源輸出電壓U0為28V，所以高頻變壓器輸入端的平均電壓US’應為280V。由DC- DC變換原理可知：Us，/ Ud =D/T， 而Ud=1.35UL，式中：UL---- 三相供電線有效值(380V)，所以，D/T=280/513=0.545=0.55，由于是全橋式變換，所以每組開關(guān)的占空比Dp=D /2*T=0.2757T圖4-a所示為一組開關(guān)的工作波形示意圖。
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綜合對電源可靠性要求高，對電源體積要求較高等因素,確定開關(guān)電源頻率為20KHZ，容易算出最小死區(qū)時間為11.25μs。
可見，有這樣大的死區(qū)時間，可以保證在輸入電壓有較大波動情況下仍能使輸出穩(wěn)定不變。
2、IGBT的選擇
對IGBT的選擇，主要考慮正常工作時流過IGBT的電流有效值、平均電流和反向電壓Uces。因為象開關(guān)損耗發(fā)熱、工作條件嚴酷等因素都不能忽略，所以選擇時，其元件的參數(shù)應取2倍以上安全系數(shù),。由于是全橋式電路，且高頻變壓器變比為10 : 1 ,次級輸出電流為連續(xù)的100A電流，所以流過變壓器初級電流平均值IL(av)應為10A，流過每個IGBT的穩(wěn)定電流波形如圖4-b所示，其電流計算如下：
因為 6
所以IGBT的穩(wěn)態(tài)幅值電流為: 7
IGBT電流的有效值為：8
在器件手冊中，給出的IGBT元件參數(shù)額定電流是直流連續(xù)平均電流，而在實際工作中，IGBT的過流損壞一般是熱效應引起的。所以綜合成本和可靠性問題，常常選IGBT的額定電流大于工作電流有效值IT兩倍以上。電路中，每個開關(guān)元件的工作電壓均為電源電壓Ud，即Uces=Ud=513V，所以 IGBT的耐壓應選擇1000V以上。
3、次級整流二極管的選擇
分析計算方法同IGBT的選擇。流過二極管的峰值電流180A，平均電流IDav=50A，有效值電流ID=95A，所以選擇IFav=200A，VRRM.≥100V的快速恢復二極管。
4、輸入整流電路及附加單相升壓變壓器的確定
因為由三相供電時，Ud=1.35UL=1.35×1.707×UP。為了保證單相供電時,開關(guān)電源輸出不變，顯然，此時須有Ud’= Ud=1.35×1.707×UP。由單相全波整流原理知，其整流輸出電壓Ud’是整流輸出電壓有效值UX的1.1～1.2倍.所以由上式有: ( 1.1～1.2)UX=1.35×1.707×UP,其中UP是相電壓。
所以，選擇整流電路，其耐壓值比三相時選高一些，同時，整流電流值也應比三相時大一些，一般選擇大三分之一即可。變壓器的匝比設(shè)計為1:2 即可滿足要求。
PWM電路的選擇
文章選擇UC3846雙輸出電流型PWM控制器集成電路。該電路在開關(guān)頻率為20KHZ時，其最大占空比可達50%，所以它的控制是有效和穩(wěn)定的。
IGBT的驅(qū)動和保護
IGBT的工作是由其柵極電壓的正負來控制的，當UGE>0時，IGBT導通，當UGE<0時，(一般UGS≤-5V )，IGBT截止?？紤]到它的特點和工作原理，選用了由正負雙電源供電的M57962L型專用驅(qū)動集成電路。該電路有內(nèi)藏定時邏輯短路保護電路，并且有保護延時功能。驅(qū)動保護原理電路如圖3(b)所示。對IGBT除驅(qū)動電路本身提供的短路(過流)保護功能外，在IGBT上并聯(lián)RC緩沖支路和電源兩端并聯(lián)吸收電容也是效果明顯的方法。
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