武政 劉建瓴 李華芳 劉蓉

1 引言

在PWM開關(guān)電源的拓?fù)渲?，半橋電路具有以下?yōu)點(diǎn)：變壓器雙向勵(lì)磁，無變壓器偏磁問題，磁芯利用率較高；具有較強(qiáng)的抗不平衡能力，能夠有效地防止變壓器在高頻下的單向偏磁；開關(guān)管承受壓降僅有輸入電壓的一半，而且由于變壓器尖峰電壓被開關(guān)管反并二極管鉗位，開關(guān)管兩端電壓不會超過輸入電壓的一半，所以對開關(guān)管的耐壓要求較低。所以在中小功率的變換器中，半橋電路應(yīng)用相當(dāng)廣泛。本文針對中小功率的實(shí)際應(yīng)用情況，研發(fā)了基于 SG 3525和EXB 841為控制芯片的變換器，主要適用于對電流的動(dòng)態(tài)響應(yīng)要求較高、電流不大（小于300A）的場合。本變換器具備反應(yīng)速度快、性能穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。

2 主要芯片

2.1 SG 3525

SG3525是SGS-Thomson公司生產(chǎn)的集成PWM控制器。它具有5.1V基準(zhǔn)穩(wěn)壓電源；振蕩器的振蕩頻率由外接的電阻R5和電容C2決定；占空比為0%～100%，考慮到功率器件的關(guān)斷時(shí)間，最大占空比[1]通常為90%～95%。圖1為SG3525內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。

2.2 EXB 841

日本FU JI公司的EXB 841芯片具有單電源、正負(fù)偏壓、過流檢測、保護(hù)、軟關(guān)斷等主要特性，是比較典型的驅(qū)動(dòng)電路，并且可以很好地配合使用 FUJI公司的 IGBT，可以使功率器件的性能較好地發(fā)揮，并對其有較好的保護(hù)。

圖1 SG3525內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

其工作最高頻率可達(dá)40kHz～50kHz。本變換器選用工作頻率為20kHz。圖2為EXB841內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。EXB841需外部提供一個(gè)+20V單電源，內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)-5V反偏壓，模塊采用高速光藕隔離，射極輸出。因此，其輸出控制波型非常理想。

圖2 EXB 841的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

3 電路設(shè)計(jì)

本文用SG 3525和EXB 841主要控制芯片設(shè)計(jì)一種三相輸入，最大28V、200A輸出的5000W半橋變換器。本變換器的技術(shù)要求如下：

輸入電壓：交流 380±10%V，50Hz；

輸出電壓：空載電壓 68V，負(fù)載狀態(tài)電壓范圍0V～28V；

輸出電流：最大輸出 200A；調(diào)節(jié)范圍：20A～200A；

輸出紋波：紋波系數(shù)不大于0.5%；

工作溫度：0℃～55℃。

3.1 主電路結(jié)構(gòu)圖

本變換器采用半橋拓?fù)?，主電路結(jié)構(gòu)如下圖3所示[2]。其中輔助電源有6組電源輸出，分別給控制芯片SG 3525和EXB 841提供工作電壓，同時(shí)還為其他一些輔助芯片和顯示面板提供電源。

圖3 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

3.2 控制電路

對于本變換器，控制電路部分主要實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)功能：

① 輸出電流反饋

本變換器主要用于恒流輸出狀態(tài)，并要求具有較好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。采用如圖4所示的電流反饋電路。電流的反饋信號通過霍爾元件來獲取，并通過比例積分電路信號放大到控制芯片的調(diào)節(jié)范圍[3]。積分的運(yùn)作可以使信號的變動(dòng)平均化，同時(shí)降低非有效信號的影響。

本變換器的傳遞函數(shù)如下式所示：

圖4 主電路的反饋圖

將電路的各個(gè)參數(shù)帶入式（1）中，可以得到該傳遞函數(shù)。該傳遞函數(shù)用MATLAB仿真電路模型和波形如下，仿真電路模型如圖5所示。

階躍信號激勵(lì)時(shí)響應(yīng)波形如圖 6所示。

圖5 仿真電路模型

信號上升時(shí)間約為逆變器主電路開關(guān)器件（本變換器為 IGBT）工作的一個(gè)周期，本變換器為20kHz，響應(yīng)反應(yīng)速度快，動(dòng)態(tài)特性好，傳遞函數(shù)極點(diǎn)位于左半平面，電路性能穩(wěn)定。

② 輸出最大電流限制保護(hù)

CD 4053內(nèi)部含有 3組開關(guān)，每組開關(guān)的狀態(tài)由相應(yīng)的控制端的狀態(tài)來決定。設(shè)計(jì)中，只使用了其中的一組電子開關(guān)。圖7為CD4053的外部接線圖，芯片CD4053的9腳為電子開關(guān)的控制端，9腳為高電平時(shí)，CD4053的5腳和4腳導(dǎo)通，輸出較低的電壓。當(dāng)9腳為低電平時(shí)，CD4053的3腳和4腳導(dǎo)通，輸出較高的電壓。CD4053的4腳與控制電路的SG 3525的2腳相連接，可以控制輸出電流的大小。在設(shè)計(jì)中，將CD4053的3腳設(shè)定為最大電流限制保護(hù)端，當(dāng)5腳的電壓高于3腳的電壓時(shí)，輸出控制端的電壓變低，從而限制了電路的電流輸出，起到了輸出最大電流限制的作用。

③ 軟啟動(dòng)保護(hù)功能

軟啟動(dòng)電路的功能是保護(hù)主電路的功率開關(guān)管和整流二極管免受開機(jī)時(shí)的大電流沖擊。在開機(jī)時(shí)，把誤差放大器運(yùn)放輸出強(qiáng)置為低電平，使比較器不產(chǎn)生脈沖。當(dāng)電壓穩(wěn)定后，內(nèi)部電流對外接軟啟動(dòng)電容充電，到達(dá)一定值后，主要控制芯片輸出控制信號。一般地，變換器軟啟動(dòng)時(shí)間必須大于延時(shí)時(shí)間。

主控芯片SG 3525的6腳（軟啟動(dòng)保護(hù)功能）外接電阻和電容的延時(shí)電路的時(shí)間，至少大于2個(gè)以上的工作周期。

④ 溫度保護(hù)、驅(qū)動(dòng)信號保護(hù)和過流保護(hù)

圖6 響應(yīng)波形圖

圖7 CD4053外部接線圖

SG3525的10腳為芯片的控制端，在10腳可以外接保護(hù)電路，當(dāng)監(jiān)測到非正常的信號時(shí)，10腳的電壓為高電壓，使得SG3525的11、14腳的頻率輸出為零，避免電路中其他元件的損壞。實(shí)際的電路中，使用的芯片為74LS10與非門電路，分別接溫度保護(hù)、驅(qū)動(dòng)信號保護(hù)、反饋電流信號等三個(gè)保護(hù)，當(dāng)其中任一個(gè)信號發(fā)生故障[4]，控制芯片SG 3525便無法輸出控制信號，避免發(fā)生較大的事故。

EXB841的 6腳通過快速恢復(fù)二極管 D2接至IGBT的C極[5]，檢測IGBT的集射之間的通態(tài)電壓降的高低來判斷IGBT的過流情況加以保護(hù)（圖8為EXB 841的外部接線圖）。

圖8 EXB 841的外部接線圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)中研制了基于以上的設(shè)計(jì)原則和電路分析的樣機(jī)。通過嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)測試，變換器的輸出達(dá)到要求。輸出空載電壓為69V，電流從 0A～200A可調(diào)，輸出電壓紋波處于要求之內(nèi)，在短路狀態(tài)下，電路的動(dòng)態(tài)響應(yīng)比較快。過壓保護(hù)，限流及過溫保護(hù)等功能也得以實(shí)現(xiàn)，并且通過了嚴(yán)格的拷機(jī)實(shí)驗(yàn)。

但在小電流20A以下的短路狀態(tài)時(shí)，本變換器有較為刺耳的嘯叫聲。電流在增大時(shí)，沒有嘯叫聲。分析嘯叫聲是由于輸出電流小于20A，主控芯片SG3525的輸出為最小脈寬，此時(shí)逆變器主開關(guān)器件（IGBT）開通時(shí)間極短（處于器件的線性區(qū)域），變換器的主變壓器在高頻窄脈沖條件時(shí)，發(fā)出的嘯叫聲。

理想情況下或大電流輸出時(shí)，主控芯片 SG3525的輸出為寬脈沖，主要功率器件在放大區(qū)工作，變換器的主變壓器就不會發(fā)出嘯叫聲。對主電路增加了尖脈沖的吸收保護(hù)電路，對嘯叫聲有所削弱，但不能完全的消除嘯叫的聲音。

5 結(jié)論

本文用 SG3525和EXB 841為主控芯片制成了5000W 的半橋變換器，并給出了各種功能的實(shí)現(xiàn)電路。該變換器目前已成功應(yīng)用于中小功率的逆變電焊機(jī)和小容量電瓶車充電器上，在實(shí)際工作中性能良好，具有較好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能和成本優(yōu)勢。

[1] 楊旭,裴云慶,王兆安.開關(guān)電源技術(shù) [M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004

[2] 王兆安,楊君,劉進(jìn)軍.諧波抑制與無功補(bǔ)償[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1998

[3] Francisco Canales, Peter Barbosa, Carlos Aguilar, Fred C Lee.A Quasi-Integrated AC/DC Three-Phase Dual-Bridge Converter. Proceedings of PESC , 2001

[4] Weihong Qiu, Wenkai Wu, Shiguo Luo, Wei Gu, Batarseh I.A Bi-fly-back PFC Converter with Low Intermediate bus Voltage and Tight Output Voltage Regulation for Universal Input Applications. Proceedings of APEC,2002

[5] Tan F D, Middlebrook R D. A Unified model for Current-programmed Converters. Power Electronics. IEEE Transaction on,1995, 10(4):397-408