大电流低电压开关电源拓扑结构和总体设计
eeskill 2022-09-29

1、电源总体设计

电源为恒流源工作方式,其输出电流可在45~90A连续可调,并稳定工作,最大输出功率1.35kW,采用PWM控制,开关频率30kHz。

图1是电源框架图,图中未画出保护电路框图。单相220V交流输入经工频整流、滤波后向DC/DC全桥变换器供电。在电源合闸接入电源电压瞬间,由于电容器上的初始电压为零,电容器初始充电会形成很大的瞬间冲击电流,软启动电路用于防止该瞬间冲击电流,改善电源启动性能,保护EMI滤波器、工频整流器件及电容器等,以保证开关电源正常而可靠运行。DC/DC全桥变换器主要由四个开关管组成的桥式逆变电路、高频变压器、输出高频整流及滤波电路组成,桥式逆变电路在控制及驱动电路作用下,将直流转换成高频方波交流,再经高频变压器降压以及副边高频整流、滤波后输出直流。电源控制电路由专用集成芯片SG3525及其外围电路构成PWM调制,经光电隔离、功率放大后直接驱动全桥变换器开关管,由于电源工作在恒流方式,且电流较大,所以应用电流传感器采样输出直流电流作为控制信号,反馈到控制电路,以实现PWM调制,达到稳定输出电流的目的。

2、主电路设计

本电源主电路拓扑结构如图2所示,由于该电源具有大电流低电压的特点,对高频干扰信号以及合闸瞬间的浪涌电流非常敏感,因此220VAC/50Hz交流电整流前先经EMI滤波器滤波,大大减小了交流电源输入的电磁干扰,同时防止开关电源产生的谐波串扰到输入电源端。

高频变压器是DC/DC全桥变换器的核心磁性元件,许多其它主电路元器件的参数设计都依赖于变压器的参数,对其进行合理优化设计非常重要。本电源的高频变压器设计采用AP法,AP就是指磁芯有效截面积和线圈有效窗口面积的乘积。磁芯选用一对E型软磁铁氧体,考虑到变换器工作频率,磁芯工作磁感应强度BW设计为0.16T,根据电源主电路拓扑结构,高频变压器的计算功率为:

式中AW为磁芯窗口面积;Ae为磁芯有效截面积;K0为窗口使用系数,一般典型值取0.4;Kf为波形系数,本变压器原副边绕组波形为方波,取Kf=4;fs为变压器工作频率(Hz);J为绕组导线电流密度,设计为400A/cm2。选用的EE磁芯AP值应大于计算值,由于副边电流较大,并绕的漆包线根数多,占用窗口面积大,最终选用磁芯为TDK的PC40EE70型磁芯。绕制工艺采用原副边交叉绕(两段式全包),以实现变压器原副边绕组的紧密耦合,减小漏感,实验结果表明满足设计要求。

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