基于BUCK调压的小功率高压电源

  研究主要内容包括BUCK电路的分析设计、半桥逆变电路分析设计、倍压电路的设计,控制电路的设计,并利用PSPICE软件进行相应各部分的仿真和参数优化。

  本研究实现的主要性能是:给定输入电压是交流220V,要求输出电压在范围0~15KV内大范围可调,功率为15W,输出纹波要小于1%。

  引言

  高压电源一般是指输出电压在五千伏特以上的电源,一般高压电源的输出电压可达几万伏,甚至高达几十万伏特或更高。高压电源广泛应用于材料改性,金属冶炼,环境保护,大功率激光和微波等应用领域。传统高压电源采用工频电源和LC谐振方式,虽然电路简单,但其体积和重量大,低频工作状态以及纹波、稳定性均不能令人满意,随着电力电子的发展,高频高压电源成为发展的趋势。

  随着新的电子元器件、新的电磁材料、新的电源变换技术、新的控制理论及新的专业软件的不断涌现,并不断地被应用于开关电源,使得开关电源的性能不断提高,特点不断更新,出现了如频率高、效率高、功率密度高、可靠性高等新特性。

  20世纪70年代世界电源史上发生了一场革命,即20Hz的开关频率结合脉宽调制技术(PWM)在电源领域的应用。到目前为止,电源的频率已经达到数百 Hz,应用先进的准谐振技术甚至可以达到兆Hz水平。提高振荡器输出频率可降低高压变压器、电抗器、平滑电容器、高压电容器等电子器件基本性能要求和结构体积,进而缩小高压电源体积。高频化使高压电源体积大幅度的减小,轻巧便携,实用性和使用方便性明显得到改善。

  近几年,随着电子电力技术的发展,新一代功率器件,如MOSFET,IGBT等应用,高频逆变技术的逐步成熟,出现了高压开关直流电源,同线性电源相比较高频开关电源的突出特点是:效率高、体积小、重量轻、反应快、储能少、设计、制造周期短。由于它的优越特性,现在已逐渐取代了传统的高压线性直流电源。

  伴随着高新技术的逐步应用,新的技术问题也随之出现,主要表现在高频化可以提高电源性能,减少变压器的体积和纹波系数。但由于高频高压变压器是高频高压并存,出现了新的技术难点:

  ①高频高压变压器体积减小,频率升高,分布容抗变小,绝缘问题异常突出;

  ②大的电压变化比使变压器的非线性严重化,漏感和分布电容都增加,使其必须与逆变开关隔离,否则尖峰脉冲会影响到逆变电路的正常工作,甚至会击穿功率器件;

  ③高频化导致变压器的趋肤效应增强,使变压器效率降低。

  鉴于上述情况,高频高压变压器如何设计是目前研究的一个难点和热点问题。

  研究主要内容包括BUCK电路的分析设计、半桥逆变电路分析设计、倍压电路的设计,以及系统仿真研究。该电路包括输入整流滤波电路、BUCK预稳压电路、半桥逆变电路、倍压电路和输出整流滤波电路。输入的交流电源经整流滤波电路变为直流,通过BUCK预稳压电路将电压稳定,再经过半桥逆变电路将直流电压变为交流电压,然后通过一个倍压电路将电压升高,最后整流滤波输出稳定高压。

  主电路设计

  1)主电路的拓扑结构(图1)

1

  这里主要介绍了一种基于BUCK调压的小功率高压电源。该电源能实现零电流软开关 (ZCS),并能方便的调节输出电压,因为利用了高频变压器的寄生参数,从而避免了尖峰电压和电流。该电源的另一个特点是利用倍压电路代替了传统的二极管整流电路,减小了高频变压器的变比和寄生参数;尤其是主电路的控制采用了Buck电路和逆变电路的联合策略,即采用Buck可十分方便、灵活地进行电压调节;采用定频定宽的逆变电路可利用高频变压器的寄生参数实现谐振软开关。

  此外,由于该电源无需利用调节逆变电路的占空比来调节电压,因而可充分利用高频变压器的磁性;而且由于其控制电路采用了基于DSP的实时数字PI调解器,因而实现了电路的稳态和暂态特性。

  2) BUCK电路的设计

  (1)BUCK电路工作原理,图2。

  当开关S闭合后,输入电压 完全加在二极管D的两端,上正下负,二极管被反偏截止。由于此时电容C的初始电压为零(Vc=Vo 输出电压为零),电容电压不能突变,所以输入电压完全加在电感L之上,形成经开关S、电感L、电容C和电阻R构成的回路建立起初始电流。随着开关闭合时间的增加,电感电流逐渐增大,这个电感电流中的一部分供给电阻R成为输出电流,另一部分对电容充电使电容两端的电压逐步上升。由于电容电压从零开始建立,在开关S闭合期间电感电流的增量相对较大,而输出给R的负载电流与电容电压成正比,故开始阶段电容的充电电流最大,电容电压上升得最快。

  当开关S断开后,由于电感电流不能突变,失去外加激励趋于下降的电感电流在电感L两端产生感应左正右负的感应电势,这一感应电势将克服电容器电压使二极管D承受正偏导通,形成L→C、R→D→L的续流回路。

  开关闭合时电感电流增加,开关断开时电感电流下降,电容的充、放电电流在一个周期内的平均值等于零,即:在电容充电电流大于零。

  (2)主开关管及续流二极管的选择

  VDMOS管为电压控制器件,驱动容易,没有二次击穿现象,热稳定性好,安全工作区(SOA)大,开关速度快,开关损耗小,就目前VDMOS管的制造水平,在高频中小功率范围,尤其在高电压小电流或低电压大电流应用场合,VDMOS管具有很高的性能价格比,值得优先选用。本设计Ui

  =300V,ILM=1A,功率开关属于高电压小电流工作,实际选用的功率场效应管型号是IRF840,其主要参数如下:

  最大反压VDSVDS:500V

  连续工作电流ID:8A

  峰值电流IDM:32A

  导通电阻Ron:<0.85Ω

  开通时间ton:lOns

  关断时间toff:9ns

  续流二极管的正向额定电流必须大于最大负载电流,耐压必须大于输入电压,且留有余量,此外,另一个根重要的考虑是为减因漏感和引线电感产生的尖峰电压,续流二极管宜采用反向恢复时间短,具有软恢复特性的肖特基二极管(SBD),实际采用的型号是FR307,其反向电压为700V,正向额定电流为3A。

  (3)仿真波形图

  BUCK电路如图3所示,电路采用串联开关降压式结构,其中Q为功率场效应管MOSFET。ton期间,控制信号使Q导通,电流增大,电感储能;toff期间,Q关断,电感电流经续流二极管D向负载释放能量。对BUCK部分进行仿真,得到如下波形:

  如图4所示,Buck电路的输出电压保持在140V左右,电感电流呈现脉动形状,在开关闭合时电感电流增加,开关断开时电感电流下降。开关频率为100kHz,占空比为45%。

  (1)半桥逆变电路工作原理半桥逆变电路原理图如图5所示,它有两个桥臂,每个桥臂由一个可控器件和一个反并联二极管组成。在直流侧接有两个相互串联的足够大的电容,两个电容的联结点便成为直流电源的中点。负载联接在直流电源中点和两个桥臂联结点之间。

  设开关器件V1和V2 的栅极信号在一个周期内各有半周正偏,半周反偏,且二者互补。当负载为感性时,其工作波形如图6所示。输出电压uo 为矩形波,其幅值为Um=Ud/2。输出电流io 波形随负载情况而异。设t2时刻以前V1为通态,V2为断态。t2时刻给V1 关断信号,给V2开通信号,则V1 关断,但感性负载中的电流io不能立即改变方向,于是VD2导通续流。当t3时刻t0降为零时,VD2截止,V2开通,io 开始反向。同样,在t4时刻给V2关断信号,给V2开通信号后,V2关断,VD1先导通续流,t5时刻V1 才开通。各段时间内导通器件的名称标于图6的下部。

  当V1或V2 为通态时,负载电流和电压同方向,直流侧向负载提供能量;而当VD1或VD2 为通态时,负载电流和电压反向,负载电感中贮藏的能量向直流侧反馈,即负载电感将其吸收的无功能量反馈回直流侧。反馈回的能量暂时储存在直流侧电容器中。直流侧电容器起缓冲这种无功能量的作用。因为二极管VD1、 VD2 是负载向直流侧反馈能量的通道,故称为反馈二极管;又因为VD1和VD2 起着使负载电流连续的作用,因此又称为续流二极管。

  当可控器件是不具有门极可关断能力的晶闸管时,必须附加强迫换流电路才能正常工作。

  半桥逆变电路的优点是简单,使用器件少。其缺点是输出交流电压的幅值Um仅为Ud /2,且直流侧需要两个电容器串联,工作时还要控制两个电容器电压的均衡。因此,半桥逆变电路常用于几KW以下的小功率逆变电源。

  (2)开关器件的选取

  在调压及逆变电路中,开关器件起着核心的作用。开关器件有很多种,如按功率等级来分类,有微功率器件、小功率器件、大功率器件等等:按制造材料分类有锗管、硅管等;按导电机理分类有双极型器件、单极型器件、混合型器件等;按控制方式来分类,可分为不可控器件、半可控器件和全可控器件三类器件:不可控器件包括整流二极管、快速恢复二极管、肖特基二极管等:半可控器件包括普通晶闸管、高频晶闸管、双向晶闸管、光控晶闸管等;全可控器件包括功率晶体管(BJT)、功率场效应管功率场效应管(Power MOSFET),绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、

  静电感应晶体管(SIT)、可关断晶闸管(GTO)、静电感应晶闸管(SITH)等。在选取开关器件时,主要可从以下五个方面考查电器件的性能特点:①导通压降,②运行频率,③器件容量,④耐冲击能力,⑤可靠性。

  在本系统中,需要全控性的(能够自关断)开关器件,IGBT是具有功率MOSFET高速开关特性和双极晶体管的低导通电压特性的两者优点并存的电力半导体器件,可以高速开关、耐高压和大电流,所以本设计选取MOSFET作为开关器件。

  (3)主要参数计算及仿真波形

  一般输出公率500W以下时,考虑采用半桥仿真逆变电路如图7所示。

  仿真波形如图8所示,两个MOSFET受给定的脉冲信号控制,一个开通一个关断,并且有一段死区时间,经过半桥逆变电路后,输出给高频变压器的电压为交流70V左右。

  3)高频变压器的设计

  高压电源高频化的优点是装置小型化,系统的动态反应快;电源装置效率高;有效抑制环境噪声污染。但高压电源高频化发展的阻碍主要体现在高频高压变压器上,其主要问题是:一、高频变压器体积减小,但绝缘问题突出。二、电压输出高则变压器的变比较高,而大变比必然使变压器的非线性严重,使其漏感和分布电容大大增加。

  图9为高频高压变压器等效电路简化模型,它由漏感LD、副边分布电容Cp 和理想变压器组成。漏感同样时工作于高频fs下的感抗较工频下增加fs /50倍,严重限制了功率输出;分布电容相同时高频下的容抗较工频下减小至50/fs ,导致空载电流大,功率因数低,空载发热问题突出。对上述问题的处理方法是变压器真空浸油处理(受实验条件所限,本设计并未采用),并采用大磁芯保证足够的绝缘距离,以减小分布电容Cp及其影响,但Cp减小必使LD 增加。

  4)倍压电路的设计

  (1)倍压电路

  本设计在升压变压器输出后采用了倍压电路二次升压,这样可以减小变压器的体积,提高效率。倍压整流不仅可以将交流电转换成直流电(整流),而且不需要再增加滤波电容。它能够在一定的电压之下,得到高出若干倍的直流电压(倍压)。只要倍压电路中使用电容的总体积不是很大,就可以减小整个电源设备的体积。

  现就图10所示四倍压整流电路进行分析。在分析过程中,均假设各电容的充电速度远大于放电速度,并将导通的二极管用短路线来代替。

  开始工作后,在第一周期的正半周,电压u经二极管VD1给电容C1充电到um,在负半周u与C1 上的电压串联起来给C2 充电。在下一周期的正半周,电压u在给C1充电的同时,由于VD1已导通,C3 上尚无电压,故C3将通过VD1、VD3向C3充电;在负半周,u与C1在向C2充电的同时C3也向尚无电压的C4 充电。四倍压电路在这个周期正、负半周的工作过程如图11所示。

  由此可看出,在这种倍压整流电路中其能量是由前向后逐步传递的,每过半个周期便向后传递一步。四倍压整流电路经过4个半周期,即两个周期就有一部分能量传到最后的电容C4 上。在以后的各周期中,正半周重复图11(a)的过程,负半周重复图11(b)的过程。经过若于个周期后,除电容C1 上的电压为um外,其余电容上的电压均为2um 。负载RL上得到的电压为C2、C4上电压之和即4um 。以此类推,对于四级级(八倍压)整流电路,也可以得到相同的结论。本设计所用的八倍压整流电路如图12所示:

  (2)仿真波形

  由高频变压器输入给倍压电路的交流电压大约2千伏,经八倍压整流电路的倍压整流,最后输出直流电压可达15千伏左右。如下图是将半桥逆变电路,高频变压器,倍压电路一起进行的仿真实现电路。如图13。

  如图14所示,输入高频变压器的电压为交流70V,通过变比为30的高频变压器输出电压升高为2kV左右,再通过八倍压整流电路,最后输出电压15kV左右。

  控制电路

  按常规闭环设计思想,闭环的反馈电压应取自输出电压,但课题中高压电源的输出电压高达15KV,那么,当反馈电压取自输出电压时,这势必对采样隔离电路提出较高的绝缘要求,在实际中会难于实现,也会增加电源的制作成本。考虑到以上情况,课题中的闭环设计的采样电压取自BUCK电路的输出电压。

  根据经验选取,PI调节器的运算放大器选用LM7131B/NS,比较器选用LM339。R1=20K,R2 =100K,C=5n。

  PSPICE中闭环电路原理图,如图15所示。

  通过PSPICE仿真得到如图16波形:

  如图所示,当基准电压Vref=-2V时,输出直流12V左右,当基准电压Vref =-2.5V时,输出直流电压15V左右,可见通过调节基准电压Vref 的值,可以实现本设计0-15KV大范围可调。如图可见,电压闭环驱动控制下输出电压的波形符合设计技术参数要求。

  由前面波形可以看出,闭环电路可以正常工作,在加输入扰动后可以基本实现调节的无净差。到此基本完成课题设计中高压电源的原理设计,下面给出实际电路中的芯片控制驱动。

  结论

  本文介绍的一种基于BUCK调压的小功率高压电源,其特点是:①采用了倍压电路,减小了变压器的变比,使其在工艺和制造上成为可能,并且能够在一定条件下实现零电流软开关,从而大大减小了开关损耗;②该电源可以工作在110V、220V不同电压下,因为开拓了国内外市场;③该拓扑结构简单,易于实现;④该电源利用了DSP,实现了数字PI的实时控制,因而能良好的工作且实现远程通信。

  课题设计主要在PSPICE软件中完成,首先分析了高压电源系统各个环节的基本工作原理和仿真优化,其次,在开环设计的基础上进行了系统的闭环设计,调节电路各个参数使闭环系统的各项指标均达到要求,并且在存在扰动的情况下可以实现闭环系统的无净差调节。

  通过课题高压电源的设计过程,可以得到以下结论:

  ①针对系统要求输出电压为0-15KV,且输出功率为15W的情况,选用BUCK调压电路与桥式逆变电路相组合得到高频脉冲电压,后经过高频变压器和倍压电路完成升压和整流作用。

  ②BUCK闭环环节使用光电耦合器HCNR201进行电压采样隔离,MOSFET的隔离驱动使用HCPL4504和UCC27321共同完成,保证驱动电路工作的有效性和安全性。

  ③逆变电路的控制电路由芯片SG3535和IR2110共同完成。SG3525控制器集成了过压保护、过流保护、软启动、欠电压锁定、击穿短路保护等功能保证控制信号的准确性。SG3525输出的PWM信号通过两片IR2110后驱动逆变电路的两个桥臂,这保证了驱动信号间的死去时间,防止桥臂的直通现象。

  ④电路设计中摈弃传统工频变压器升压模式,而采用高频变压器和倍压电路共同完成升压作用,在减小系统体积上有突出作用。

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