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双管反激辅助电源设计

更新时间:2009-03-28

0 引言

虽然辅助电源的功率一般较小,并且在系统中只是起辅助供电作用,但是辅助电源的可靠性会影响电动机整机的性能。因此,设计一种可靠性较高、通用性较强、成本较低的辅助电源是近年来电源研究的热点方向之一。

已有的辅助电源主要包括线性稳压式电源、电容降压式电源、自激式开关电源和单端反激式开关电源4种。

1)线性稳压式电源。该电源可以先通过工频变压器实现降压和隔离,然后通过整流、滤波、线性稳压器稳压,最终得到稳定的直流电。该方案输出的电压稳定、纹波系数较小、噪声较低,但是存在体积笨重、效率很低、功率受限等缺点。

2)电容降压式电源。该电源适用于交流输入场合,它首先利用串联电容实现降压,然后通过整流、滤波、稳压得到稳定的直流电。该电源的电路结构较为简单、成本较低,通常被应用在交流输入、小功率、电压要求不高的场合。

3)自激式开关电源。自激式开关电源的工作原理,是功率开关管和变压器辅助绕组组成了正反馈回路,从而使电路产生振荡,实现能量间的变换。同时,利用反馈信号使输出电压稳定[1]。自激式开关电源电路的元件较少、结构较为简单、成本较低,但是存在纹波电流较大、功率较大时稳定性较差等缺点,所以该类电源通常被用于60 W以下且对电压要求不高的场合。

4)单端反激式开关电源。单端反激式开关电源不仅结构较为简单,而且工作稳定、成本较低,因而在低于150 W功率的场合中应用十分广泛。但是该电源有一较大缺点,即当开关管关闭的时候功率管需要承受很高的电压应力,包括直流母线电压、变压器副变反射电压、原边漏感电压等,因此,在输入电压较高时,单端反激式开关电源对功率管的耐压要求很高[2]

当开关管Q1、Q2同时导通时,二极管D1、D2、D3截止,变压器的初级绕组承受电压Vdc,电流以斜率dI1/dt=Vdc/(LP+L1)线性上升到最大值IP,变压器完成储能过程。

1 双管反激辅助电源的工作原理

双管反激辅助电源同单端反激式开关电源一样,工作在电流连续导通模式(continuous conduction mode,CCM)的情况下。因电流连续导通模式的传递函数右边平面存在零点,该模式对系统的稳定性有较大影响,所以实际应用中多采用电流断续模式(即非连续导通模式discontinuous conduction mode,DCM) [3]

1) UC2844A控制芯片。UC2844A是一款固定频率的电流模式控制器,其内部结构如图5所示。

  

图1 双管反激辅助电源的拓扑结构Fig. 1 Topology structure of dual switch flyback auxiliary power supply

针对以上各辅助供电电源存在的不足,本文设计了一种双管反激辅助电源,并且制作了样机验证了设计的有效性。样机测试结果表明,相比传统的单端反激式辅助电源,所设计的电源能够有效地嵌位漏感尖峰电压,实现宽范围的电压输入,同时提升了电源效率和可靠性。

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当Q1和Q2同时关断时,变压器的初、次级电压均反向,此时D1、D2、D3均导通。由于D3导通,原边绕组存储的能量向负载转移,D1LP上端电位嵌位到Vdc的负端,D2L1下端电位嵌位到电源的正端。此时,励磁电感LP两端的电压等于次级折射电压Vr,即有Vr =(NP /NS)·(Vout+VD3[4]。又因为输入电压等于励磁电感电压加漏感电压,所以有漏感电压V1=Vdc-Vr

图2所示是双管反激辅助电源的开关管关断时的等效电路图。

  

图2 双管反激辅助电源开关管关断时的等效电路Fig. 2 Equivalent circuit of dual switch flyback auxiliary power supply with switches off

图2所示等效电路中,将副边电路等效到原边,这有利于分析能量的流动。存储在励磁电感中的能量通过D3直接供给负载,漏感存储的能量通过二极管D1、D2流回电源,该过程所消耗的时间等于漏感复位的时间。为了确保电路工作在DCM模式,且使能量最大化流向负载,需要缩短漏感复位时间,可以通过减小漏感和NP /NS变比来实现。已有研究结果表明,NP /NS越小,Vr越小,V1越大,漏感复位时间越短。通常将NP /NS取值设为其中ViVo分别为电源输入、输出电压。

2 双管反激辅助电源的电路设计

2.1 功率电路

本文以特高压双回鼓型钢管塔为研究对象,建立其有限元模型,分析其模态频率及模态振型.通过对模型进行地震反应谱分析,研究在地震作用下特高压钢管塔内位移及应力规律,并指出在地震作用下特高压钢管塔薄弱的部位,为特高压双回鼓型钢管塔的抗震设计提供了依据.

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图3 双管反激辅助电源的功率电路图Fig. 3 Power circuit of dual switch flyback auxiliary power supply

2.2 控制电路

由UC2844A组成的控制电路如图4所示。主要包括UC2844A控制芯片、电阻电容构成的启动电路、脉冲变压器构成的驱动电路、PC123光耦和TL431构成的电压反馈电路以及由电阻采样构成的电流反馈电路。

  

图4 双管反激辅助电源的控制电路图Fig. 4 Control circuit of dual switch flyback auxiliary power supply

双管反激开关电源的拓扑结构如图1所示,其中Q1、Q2为主开关管,D1、D2为原边续流二极管,D3为副边整流二极管,L1为漏感,LP为原边电感,Vdc为电源输入电压,Vout为电源输出电压,LP为励磁电感,NP为变压器原边匝数,NS为副边匝数,C1为电源出滤波电容。

杠杆是能转动的棍子或板子,也可以是合页,它转动的中心点叫作“支点”。跷跷板就是一种杠杆。我不能用胳膊抬起罗克西,但我可以用跷跷板抬起它。其他杠杆可以帮助你把东西移动得更快或更远。

  

图5 UC2844A的结构框图Fig. 5 Structure diagram of UC2844A

7)变压器气隙。变压器气隙lg的计算式如下:

2) RC启动电路。芯片的启动是直流母线通过R19R22给电容C21C22充电,当充电电压达到16 V时,芯片开始工作。芯片启动后,由辅助绕组4、5通过整流二极管D10给芯片供电,D12为16 V的稳压管。

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3) 驱动电路。以隔离脉冲变压器T2实现两路隔离驱动信号,UC2844A的6脚通过隔直电容C24后直接驱动T2原边;副边绕组经隔直电容C25C29后,再经稳压管D13、D15直接驱动开关管Q1、Q2

当水听到美好的话语时,通过显微镜呈现的水结晶就是均匀而漂亮的;当水听到辱骂性的话语时,呈现的结晶就是扭曲而丑陋的。

4) 电压电流反馈电路。由PC123和TL431组成了电压反馈电路,电阻R8R9组成了电流反馈电路。当24 V输出电压因为负载减轻或者输入直流母线电压升高而升高时,经R14R27两电阻分压后接至TL431的参考端,并与TL431内部反向输入端基准参考电压的2.5 V比较,得到输出高电平,使TL431阴阳极间电压Vka降低。PC123中二极管电流If =(Vout-Vka-Vf)/R16,其中Vout为24 V输出电压,Vf为光耦二极管压降。故Vka变小时If变大,从而光耦集射极间电压降低,即UC2844A的脚1的电压变低。将该电压与采样电阻上的电压比较,输出高电平使RS锁存器复位,或非门输出变低,开关管关断,脉冲变窄,功率管的导通时间缩短,传输到次级线圈的能量减少,最终使输出电压Vout降低。反之亦然,反馈电路通过闭环调节,使输出电压不受电网或负载的波动,保证输出电压的恒定[7]

2.3 参数设计

1)变压器磁芯功率。磁芯的功率容量AP[8]

 

式中:Am为磁芯窗口面积;Ae为磁芯有效截面积;Po是额定输出功率;f为开关频率;Bm为磁芯磁通变化量;δ为线圈导线电流密度;η为电源转换效率;Kw为窗口填充系数;Km为磁芯填充系数。

2)匝数比n。为减小漏感复位时间,通常根据下式选择匝数比:

 

式中:Vmin为最低输入电压;Vo为主输出电压;Vd为整流二极管压降。

3)占空比D。占空比D指开关管开通时间Ton与开关管开通周期T的比。由伏秒平衡可知:

 

式中:Ton, max为开关管最大导通时间,出现在输入电压最低时刻;Toff为开关管关断时间。

因为开关管存在开通和关断时间,且因受电路其他寄生参数的影响,故通常开通时间Ton和关断时间Toff的取值为

本文结合仪表电缆的相关标准,分析了仪表电缆的基本结构和性能参数,并给出了仪表电缆相关的测试标准。在编制电缆技术规格书时,设计人员应根据项目的实际情况,明确仪表电缆的技术参数,确保电缆的性能指标满足设计需求。同时,设计人员还需不断学习仪表电缆的最新规范和工艺方面的发展,总结实际的项目应用经验,推动仪表电缆在化工装置中的技术发展。

现浇柱处已经设计了垂直缝,针对的是预制装配式混凝土外墙,连接已经预留出的锚固筋和柱子,选择现浇的方式,在墙板两侧实现对预留的锚固筋设置。操作的时候,应将柱钢筋、剪力墙绑好,之后于精确位置吊装墙板,将锚固钢筋放置于其上。这般操作步骤,可提升工作效率,保障接缝处的抗渗能力。

 

联立式(2)~(4),可知最大占空比D=0.37。

4)变压器原边绕组电流峰值。确定变压器原边绕组电流峰值Ipk的计算式如下:

 

式中Dmax为最大占空比。

5)初级绕组电感量。初级绕组电感量LP的确定采用如下公式计算:

 

8)输出整流二极管反向电压。输出整流二极管反向电压VD计算式如下:

 

式中ΔB为磁芯的磁通变化量。

图5中,7脚为芯片的电源引脚,其电压范围为16~40 V;引脚4为振荡器的输入引脚,连接起振用的电阻和电容;引脚2为电压反馈端;引脚3为电流取样端;引脚1为补偿端,外接阻容元件以补偿误差放大器的频率特性;引脚6为图腾输出端,可直接驱动Mosfet。

 

6)初次级绕组匝数。初级、次级绕组匝数的计算式如下:

 

9)输出整流二极管峰值电流。输出整流二极管峰值电流IDpk采用下式计算:

 

设定电源的额定输出功率为80 W,输入的直流电压为100~800 V,输出电压分别为24, 9, 5, 5 V,工作频率为46 kHz。根据上述参数计算公式进行计算,最终设定变压器T1选用EE36磁芯[9],原副边匝数比为150:20:8:4:4,原边电感为1.2 mH;开关管Q1、Q2选用东芝900 V/9 A的2SK2611 MOS管,嵌位二极管D1、D2选用ST 1200 V/5 A的STTH512FP快恢复二极管,整流二极管D3、D4选用150 V/20 A的MBRF20H150CTG肖特基二极管,驱动变压器T2选用村田电源专用驱动变压器7602/16C[10],原副边匝数比为1:1:1。

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3 样机测试和结果分析

根据前述设计方法及设计参数,制作了一台双管反激辅助电源样机,如图6所示。

本研究设计的双管反激辅助电源的功率电路如图3所示。其中,DCbus为直流输入母线,输入电压范围为100~800 V;C6C12为串联的支撑电容。开关管Q1、Q2分别接在变压器原边和DCbus之间,且同时开关,其中R2R3R5R6分别为Q1、Q2的开通和关断电阻,C2C11为开关管的缓冲电容。D1、D2在开关管关断时起嵌位电压和提供漏感电流续流的作用。T1为高频变压器,起隔离和传输能量的作用,Q1、Q2同时开通时1、2绕组储能,Q1、Q2关断时1、2绕组释放能量到副变绕组,D3~D6导通时为负载提供通路,R1C1、D3组成RCD(residual current device)吸收回路,以减小整流二极管的尖峰电压。由于电源输出的两路5 V电压是给DSP和运放芯片供电,因此其电压精度要求较高,本设计采用加入一级线性稳压来提高其稳定性和减小纹波[6]。绕组4、5的电压通过D7整流、C21C22滤波后给控制芯片的VCC供电。

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图6 双管反激辅助电源样机Fig. 6 A physical map of the dual switch flyback auxiliary power supply prototype

3.1 电源工作波形

为了验证设计的辅助电源的有效性,对电源的工作波形进行了检测。在直流输入电压为250 V且电源输出空载时,电源的各工作点的工作波形如图7所示。图中从上往下第2条曲线为9 V电压波形输出,第3条曲线为一路5 V电压波形输出,第4条曲线为MOS管Q1的漏极电压Vds波形曲线。

  

图7 电源空载工作波形图Fig. 7 Wave-forms of idling power supply at work

由图7可知,电源空载时工作在CCM模式。双管反激辅助电源样机的开关电压应力较小,三路电压输出稳定,纹波较小,电源能在较低输入电压情况下正常工作。

在直流输入电压为500 V,满载输出功率为80 W时,电源的各工作点的工作波形如图8所示。

  

图8 电源满载工作波形图Fig. 8 Wave-forms of full-loaded power supply at work

由图8可知,电源工作在46 kHz的开关频率,电源满载时工作在DCM模式,且断续时间较短有利于减小开关管的尖峰电压。尖峰电压在550 V以内,开关管承受的电压应力较小,保证了开关管的安全可靠性,同时有利于器件的选型和降低器件的成本。三路电压输出稳定,纹波较小,且无杂波干扰,表明电源工作正常可靠。

通过对比图7和图8可知,该电源能够在较宽输入电压,且无论是有无负载的情况下达到输出电压纹波小、开关应力小的工作状态。

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3.2 效率测试

为了验证辅助电源设计的有效性,对不同输入电压和负载下的电源效率进行了检测。即分别在440 V输入电压和650 V输入电压下,测试了20, 40, 60, 80 W负载下的效率,所得不同输入电压、负载程度下的效率曲线如图9所示。

  

图9 不同输入电压、负载程度下的效率曲线图Fig. 9 Efficiency curves under different input voltages and load degrees

由图9可知,无论是440 V电压输入还是650 V电压输入,电源的效率都是随着负载的增加而增加,因此使用该电源时应尽可能使电源工作在满负载的情况下。在650 V电压输入时,电源的满载效率高达83.8%,表明该电源具有较高的工作效率。

4 结语

本文设计了一款双管反激开关结构的辅助电源。分析了其拓扑原理、电路设计原理,并给出了参数计算方法。样机测试结果表明,该电源具有很好的电压应力,输入电压范围较宽,效率相比单管反激电源得到了提升,输出电压稳定,电压纹波小。

本文设计的双管反激辅助电源具有很高的实用价值,适合应用于宽范围输入电压或者较高输入电压情况下的辅助电源供电。

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彭洵,廖无限,谌军,徐丽虹
《湖南工业大学学报》2018年第03期文献

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