光隔型DC_DC开关电源稳压系统设计

1、第25卷第9期2008年9月机电工程MECHANICAL&ELECTRICALENGINEERINGMAGAZINEVol.25No.9Sep.2008光隔型DC/DC开关电源稳压系统设计姜琰飞,陈志平,张巨勇(杭州电子科技大学机械工程学院,浙江杭州310018)摘要:针对传统直流稳压电源无法适应各工业生产领域需求的缺点,详细介绍了以脉冲宽度调制(PWM)控制芯片SG3525A控制IR2110驱动全桥式功率金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)而构成的高频逆变主电路系统,并配合供电电路、过流保护电路、光隔离电路,设计出了光隔离型的DC/DC开关电源稳压系统,简单讨论了逆变后产生的

2、谐波污染问题,最后,进行了仿真实验。仿真结果表明,该稳压系统具有很好的抑制谐波和稳定输出电压的作用。关键词:高频逆变电路;脉冲宽度调制;谐波污染;PID调节;金属氧化物半导体场效应晶体管中图分类号:TN86文献标识码:A文章编号:1001-(2008)09-0018-03DesignofDC/DCswitchpowerlaJIANGYan2fei,p2(CollegeofMechanicalHangzhou310018,China)Abstract:Aimingatthefactpowersupplycantadaptiontherequirementsfromallindustrialpro

3、ductionfield,formedbythecontrolchipSG3525Aofpulsewidthmodulation(PWM)tocontrolIR2110tofullmetaloxidesemiconductorfieldeffecttransistor(MOSFET)wasdescribed.Withthepowersupplycircuit,over2currentprotectcircuit,opticalisolatedcircuit,theDC/DCswitchpowersupplysystemofopticalisola2tedwasdesigned.Theharmo

4、nicscontaminatedproblemcausedaftertheinverterwasalsodiscussedsimplyatlast.Theresultsverifythatthesystemhasgoodfunctionsofanticontaminateandstableoutputvoltage.Keywords:highfrequencyinverter;pulsewidthmodulation(PWM);harmonicscontaminated;PIDmodulation;metaloxidesemiconductorfieldeffecttransistor(MOS

5、FET)0前言通过在逆变电路中使用全控器,开关电源的核心部分以高频率的开通与关断进行功率变换。随着生产技术的发展,直流电源的应用日益增多,如通信、计算机、电焊机以及军工等领域,要求使用各种电压与容量等级、输出特性,满足各种不同要求的高效直流电源。由于损耗大、效率低,变压器与滤波器件体积大、功率因数低以及存在机械噪声等缺点,采用串接调整管调压稳压和晶闸管相控整流组成的直流稳压电源,已无法适应需要。随着全控器件(目前主要是功率MOS与IGBT)的广泛应用,以及脉宽调制技术的成熟,高频开关稳压电源获得了较快的发展。本研究主要介绍以PWM控制器片SG3252A控制IR2110驱动全桥式功率MOSFET

6、而构成的高频逆变收稿日期:2008-03-20123主电路系统。1开关电源系统总体设计方案开关电源稳压系统总体设计方框图4,如图1所示。图1开关电源系统总体设计方框图(1)输入电路。逆变主电路输入为直流电,如直流电网或蓄电池供电,若是交流电网首先必须有整流电路。(2)输出电路。一般包括滤波电路,对隔离式逆变器,在输出电路的前面还要有逆变变压器。(3)驱动与控制电路。其功能是通过按要求产生和调节一系列控制脉冲来控制逆变开关的导通和关断。作者简介:姜琰飞(1985-),女,陕西西安人,主要从事光机电信息技术与精密仪器方面的研究。第9期姜琰飞,等:光隔型DC/DC开关电源稳压系统设计19(4)保护电

7、路。主要有输入过电压保护、欠电压保护;输出过电压保护、欠电压保护;过载保护;过电流和短路保护。(5)供电电路。包括控制和驱动供电电路两部分。耗,在VCC和COM、VDD和VSS间连接2个0.1F的陶瓷电容,每个MOSFET分别连接到IR2110的2脚和5脚,作为栅极驱动信号的反馈。2.2.2调节电路调节器的作用是将给定量和反馈量进行比较和运算,以得到控制量,它的核心是运算放大器,多数PWM控制器内都含有运算放大器,可以构成PI和PID调节器。本研究采用PI调节电路,使系统获得了较好的稳定性、稳态精度和抗干扰能力。与PID调节电路相比,在满足电源性能指标的前提下最好选用PI调节方式。由PI调节器

8、构成的闭环控制电路,如图3所示。2系统设计该系统设计分为主电路和控制电路部分,其中主电路即高频逆变主电路,控制电路包括驱动电路、调节电路、保护电路、隔离电路和供电电路等。2.1系统主电路设计5,6如图2所示,高频逆变主电路由全桥驱动组成,逆变主电路把直流电压转换为20kHz的高频矩形波交流电压后送到高频高压变压器下,经升压、整流、滤波后给负载供电。电路经过控制PWM1和PWM2的占空比来得到脉宽可调的矩形波交流电压。图2中,C1为自举电容,C2为电源端VCC的滤波电容,反馈二极管VD1、VD4桥臂为一对,VD2、VD3,的两个桥臂同时导通,本研究采用了目,将交流电压变换为单相脉动电压。图3PI

9、调节器构成的闭环控制电路2.2.3保护电路保护电路具有自身保护和负载保护两方面的功能,一旦出现故障立即使开关电路停止工作,并以声光形式报警。笔者采用的是过电流保护,它的输入端接在逆变主电路上,作为采样点信号。2.2.4电压脉宽型PWM控制电路PWM控制电路的作用是将一定范围内连续变化的控制量模拟信号转化为PWM信号,该信号的开关频率固定,占空比随输入信号连续变化。本研究采用的SG3525A是电压模式控制的集成PWM控制器,用SG3525A发出的PWM脉冲来控制逆变器Q1、Q4和Q2、Q3的轮流导通,从而控制逆变电压和和逆变频率。改变6脚连接的电阻R值就可调控PWM脉冲频率,同时通过调节9脚电压

10、来改变输出脉宽。保护电路输出端IA产生的电压作为反馈信号接于SG3525A的10脚上,当10脚电压大于0.7V时,芯片进行限流操作;当10脚电压超过1.4V时,将使PWM锁存器关断,直至下一个时钟脉冲周期才能恢复。2.2.5隔离电路电气隔离实现了主电路及控制电路间电量的隔离,可以减少主电路开关噪声对控制电路的影响,并提高控制电路的安全性。高速光电耦合器6N136在通讯接口、隔离放大器、线性电路、电源控制、开关电源传感变换等方面都可应用。控制与隔离部分示意图,如图4所示。图2高频逆变电路2.2系统控制电路设计2.2.1驱动电路它将控制电路发出的信号转化为电力电子器件控制端和公共端之间的,可以使其

11、开通或关断的信号,并能提供一定的驱动功率,具有较高的抗干扰能力,同时,还具有电气隔离和电力电子器件的保护等功能。笔者采用IR2110高压悬浮MOSFET集成驱动电路,连接电路采用了一个快速恢复的二极管以减小功20机电工程第25卷形为不规则的矩形波,按傅立叶级数分解为基波和各次谐波,其中的高次谐波将干扰输入供电系统。在逆变器输出回路中,输出电信号是受PWM载波信号调制的脉冲波形,含基波和各次谐波。逆变器产生的高次谐波按各自的阻抗分流到电源系统和并联负载,对并联的电气设备产生传导干扰,同时,输出端的高次谐波还会产生辐射作用,对邻近的电子设备产生干扰。在本研究中,笔者采用光隔离以及滤波的方法消除了逆

12、变器高次谐波对电气设备的传导干扰。本研究采用仿真软件对高频逆变后的输出进行了傅立叶分析,分析数据和波形,如图7所示。从图7中可以看出,随谐波次数和逆变器输出电压谐波频率的升高,其谐波含量不断减少,可见本研究有效地抑制了逆变后产生的谐波。,8所示。图4控制与隔离电路图2.2.6供电电路控制电路的供电由“NE555+高频变压器+整流滤波+7812”的方案实现。控制部分供电电路,如图5所示。NE555时基电路属于单稳型稳压管,其主要用于:脉宽调制、压频变换、A/D变换等。其中,7812为三端稳压管,正电压输出,最大输出电流为1.5A,输入端接电容可以进一步滤除纹波,输出端接电容能改善负载的瞬态效应使

13、电路稳定工作。图5控制部分供电电路图驱动电路由LM2576HV212供电,其驱动部分供电电路图,如图6所示。图6驱动部分供电电路图3谐波污染及解决措施谐波污染产生根本上是由于非线性所致,当电流流经负载时,与所加的电压不成线性关系,就产生非正弦电流,从而产生谐波。变频器中要进行大功率二极管整流、大功率晶体管逆变。逆变器输入端的整流回路中,输入电流的波图8高频逆变器输出波形(下转第40页)40机电工程第25卷5结束语本研究提出了一种可用于对不同维数数据进行主成分分析的FPGA实现方案。采用Givens算法只需移位和加法即可实现矩阵的特征分析,计算量小;单元复用减少了占用资源;系统对数据并行计算,时

14、钟频率基本保持不变。参考文献(Reference):1NGUYEND,DASA,MEMIKG,etal.AReconfigurableArchitectureforNetworkIntrusionDetectionUsingPrincipalComponentAnalysisC/Proceedingsofthe2006ACM/SIGDA14thinternationalsymposiumonFieldprogrammablegatearrays.Monterey:CA,2006:235-235.2NARAY,YANGJian2ming,SUEMATSUY.FaceRecogni2tionUsi

15、ngImprovedPrincipalComponentAnalysisC/Proceedingsof2003InternationalSymposiumonMicrome2chatronicsandHumanScience.Nagoya:s.n.,2003:-82.3AgilentTechnologies.B/OL.2005-http:4SMITHLI.AtutorialonPrincipalComponentsAnalysisEB/OL.2002-2-26.http:/csnet.otago.ac.nz/cosc453/student_tutorials/principal_compone

16、nts.pdf.5朱建平.应用多元统计分析M.北京:科学出版社,2006.6山世光.人脸识别技术综述EB/OL.2004-01-01.7HOTELLINGH.Analysisofacomplexofstatisticalvaria2blesintoprincipalcomponentsJ.JournalofEducationalPsychology,1993(24):417-441,498-520.8张贤达.矩阵分析与应用M.北京:清华大学出版社,2004.9WILKINSONJH.ThealgebraiceigenvalueproblemM.Britain:OxfordSciencePubl

17、ications,1999.10ANDRAKAR.ASurveyofCORDICAlgorithmsforFPGAbasedComputersC/Proceedingsofthe1998ACM/SIG2DAsixthinternationalsymonFieldProgrammableGaterrays.191-200.LIUIPYK,etal.Hard2forEigenvalueComputationoftheconferenceonDesign,automationandtestinEurope.Munich:EuropeanDesignandAutoma2tionAssociation,

18、2006:953-958.12Xilinx.Virtex2IIProandVirtex2IIProXCompleteDataSheetEB/OL.2007-11-5.编辑:李辉(上接第20页)4结束语本研究设计的DC/DC开关电源稳压系统采用全桥式功率MOSFET组成高频逆变主电路,用脉宽调制芯片SG3525A产生的PWM信号来控制IR2110驱动高频逆变主电路,它具有体积小、控制方便、电能利用率高等优点。研究结果显示,以高速光电耦合器6N136为主的隔离电路实现了主电路及控制电路之间的电气隔离,减少了主电路开关噪声对控制电路的影响;将之与辅助供电电路和过流保护电路相配合,可使系统的功能更加完善,稳定性也可以得到保障。参考文献(Reference):1莫正康.电力电子技术M.北京:机械工业出版社,2004.2杨旭,王兆安.开关电源技