介紹了開關(guān)電源的優(yōu)點(diǎn)和大功率弧電源的結(jié)構(gòu),給出了以SG3525 為控制核心的弧電源的設(shè)計(jì)方法。該電源主電路采用全橋式逆變電路, 應(yīng)用平均電流模式控制的PWM調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)電流的穩(wěn)定輸出。并應(yīng)用OrCAD15.7 仿真工具對主電路和控制電路建模并進(jìn)行閉環(huán)仿真,得到了與設(shè)計(jì)要求相符合的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,通過對仿真結(jié)果的分析驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的可行性。試驗(yàn)表明, 該弧電源具有良好的性能。

　　隨著電力電子技術(shù)的高速發(fā)展,電力電子設(shè)備與人們的工作、生活的關(guān)系日益密切, 而電子設(shè)備都離不開可靠的電源, 其性能關(guān)系到整個系統(tǒng)能否安全可靠地工作, 因此電子設(shè)備對電源的要求日趨增高。開關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù),控制開關(guān)晶體管開通和關(guān)斷的時間比率,維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源, 開關(guān)電源一般由脈沖寬度調(diào)制( PWM) 控制功率開關(guān)器件構(gòu)成,具有功率轉(zhuǎn)換效率高、穩(wěn)壓范圍寬、功率密度比大、體積小、重量輕、成本低、可靠性和穩(wěn)定性較好等優(yōu)點(diǎn)。逆變式弧電源是一種新型弧電源,由主電路、控制電路兩部分組成。其中主電路由整流環(huán)節(jié)、濾波環(huán)節(jié)、逆變環(huán)節(jié)、變壓整流濾波環(huán)節(jié)等部分組成, 直接為電弧負(fù)載提供電功率。本電源的設(shè)計(jì)要求為輸出空載電壓65 V , 額定電流150 A ,頻率100 Hz ,額定功率5 kW，紋波電流為輸出電流I0 的3％。

1、弧電源的主回路設(shè)計(jì)

1.1、主回路的結(jié)構(gòu)

　　主電路結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

圖1 電源主電路原理圖

　　整流部分采用單相全波整流模塊, C1 是工頻濾波電容, 濾波后的直流電送入全橋式逆變電路的輸入端。逆變電路的開關(guān)管選用IRF 公司的功率MOSFET, 每個橋臂上下部分都由三個MOSFET 并聯(lián)。在開關(guān)電源中使用全橋型逆變電路主要有以下突出優(yōu)點(diǎn)：變壓器雙向勵磁，容易達(dá)到大功率。全橋型逆變電路的功率范圍：幾百瓦～幾百千瓦。但其主要缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，可靠性低，需要復(fù)雜的多組隔離驅(qū)動電路，有直通和偏磁問題。由于MOSFET 的導(dǎo)通電阻程正溫度系數(shù)特性，本身具有并聯(lián)均流特性，在輸出功率一定的情況下，采用多個MOSFET 并聯(lián)可以使單管承受的導(dǎo)通電流減小，單個管耗減小，提高開關(guān)電源的穩(wěn)定性。驅(qū)動電路驅(qū)動兩個前后橋臂上下的MOSFET 同時導(dǎo)通, 將輸入電壓交錯疊加到高頻變壓器的初級, 并且可以使用改變占空比的方法調(diào)整輸出電壓。高頻變壓器的輸出經(jīng)二極管和電抗器進(jìn)行整流、濾波,輸出穩(wěn)定的直流。

1.2、開關(guān)管的選擇

　　本設(shè)計(jì)中全橋變換器的四個橋臂采用MOSEFT 管，每個橋臂上下部分由三個MOSEFT管并聯(lián)。工頻電源經(jīng)單相整流濾波后的直流母線電壓最大值為341 V，由于電路工作在全橋變換器的狀態(tài)下，功率開關(guān)管的電壓一般取高于母線電壓的兩倍，本文MOSEFT 的額定電壓可選為500V。輸出濾波電感的電流最大值為150 A,那么變壓器的原邊電流最大為150/K=30 A (K 取值為5)，原邊電流的最大值同樣是開關(guān)管中流過的最大電流，由于每個橋臂上下部分由三個MOSEFT 管并聯(lián)，所以每個MOSFET 流過的最大電流為10 A,取2 倍的裕量， 就取額定電流大于20 A 的MOSEFT 管。綜合考慮電壓和電流，MOSEFT 管選擇IRFP460。

1.3、輸出整流濾波電路

　　由于在本設(shè)計(jì)中輸出采用三個型號和繞制工藝相同的變壓器通過三個電容耦合后并行輸出，其電路圖如圖2 所示（每個整流二極管上的緩沖電路未畫出）。由于額定功率為5kW，每個變壓器承受的功率為1667 W，單個變壓器輸出的電流為50 A, 減小了單個變壓器線徑和體積，將三個變壓器并排在輸出整流電路板的中央，使整個電源結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，體積被壓縮。

　　由于輸出整流采用的全波整流，由圖2 可知，二極管D1、D3 和L1 構(gòu)成一組全波整流濾波電路，二極管D2、D4 和L2 構(gòu)成一組全波整流濾波電路，總共6 組全波整流電路。由于6 組全波整流電路并行運(yùn)行，所以降低了單個整流二極管的電流裕量，提高開關(guān)電源的穩(wěn)定性，同時也降低了成本。

圖2 輸出整流電路圖

2、SG3525 的應(yīng)用電路及工作原理

　　SG3525 是一款功能齊全、通用性強(qiáng)的單片集成PWM芯片。它采用恒頻脈寬調(diào)制控制方案,適合于各種開關(guān)電源、斬波器的控制。其主要功能包括基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路、振蕩器、誤差放大器、PWM 比較器、欠壓鎖定電路、軟啟動控制電路、推拉輸出形式。該芯片與其它同類型的芯片相比具有許多突出的特點(diǎn)。

　　利用SG3525 建立的大功率直流開關(guān)電源的反饋控制電路如圖3 所示, 下面主要介紹平均電流模式PWM控制模塊。本設(shè)計(jì)采用雙環(huán)控制，它包括兩個負(fù)反饋控制環(huán)：內(nèi)環(huán)是電流環(huán)，外環(huán)是電壓環(huán)。

圖3 控制電路圖

　　如圖3 所示，端口1（input1)、端口2（input2)和端口3（input3)均為反饋輸入端，端口1 接弧電源輸出的地線端，端口2 接弧電源輸出高電壓端，端口3 接電流取樣電阻，所以V1 是弧電源輸出端的電壓反饋信號，V2 是電感電流取樣反饋信號。所以有V1 到V3 之間的電路為電壓負(fù)反饋環(huán)，V2 到V4 之間的電路為電流負(fù)反饋環(huán)。由于本設(shè)計(jì)中弧電源為降壓型設(shè)計(jì)，輸出空載電壓為65 V，在帶負(fù)載時，輸出電壓會更小，只要將R13和R14 參數(shù)取夠裕量，所以不用隔離反饋，電路依然可靠，同時也提高了反饋速度。V1 和V2 的極性都為負(fù)(即V1=- Vout，V2=- I0×R，Vout 為電源輸出電壓，I0 為輸出電流，R 為取樣電阻阻值）。由于SG3525 的誤差放大器的1 腳接地，2 腳接16 腳，由于16 腳為內(nèi)部參考電壓5.1 V 輸出端，所以誤差放大器工作在開環(huán)放大狀態(tài)，其輸出端9 腳在不接任何電路時，其電壓為5.1V；又因三極管Q1 的集電極接在9 腳上，所以9 腳的電位將受到Q1 集電極電位的推拉。