天地（常州）自動(dòng)化股份有限公司 蔣德智

本文設(shè)計(jì)了一種基于德州儀器公司電流模式控制器TL2844B的多路輸出單端反激式開關(guān)電源。該電源用于660V160kW礦用變頻器，采用DC-DC變換方式，具有5路輸出，通過穩(wěn)定性良好的雙環(huán)路反饋控制初級(jí)回路震蕩脈沖占空比，以適應(yīng)直流輸入電壓在較大范圍內(nèi)變化。介紹了TL2844的工作原理及外圍電路、電壓反饋和電流反饋及保護(hù)電路、高頻變壓器設(shè)計(jì)、初級(jí)回路MOSFET選型、輸入輸出濾波電路，旨在改善輸出直流電源電能質(zhì)量。樣板實(shí)驗(yàn)表明，該電源輸出電壓紋波在可以接受范圍內(nèi)，能夠適應(yīng)直流輸入電壓的大范圍波動(dòng)，為變頻器持續(xù)運(yùn)行穩(wěn)定供電。

引言：礦用變頻器產(chǎn)品是比較復(fù)雜的電力電子變流產(chǎn)品，其內(nèi)部電路復(fù)雜、存在強(qiáng)弱電結(jié)合點(diǎn)，以及要考慮整機(jī)的散熱問題，因此對(duì)為其控制回路供電的電源效率、輸出紋波特性、輸入電壓范圍適應(yīng)能力要求較高。因?yàn)殚_關(guān)電源相對(duì)于線性穩(wěn)壓電源效率大大提高，在開關(guān)器件合理選型的基礎(chǔ)上，其電壓輸入范圍也比線性電源更寬，因此在解決好濾波問題的前提下，相比于線性電源，開關(guān)電源具有很大的優(yōu)越性。

隨著電源技術(shù)的不斷進(jìn)步，開關(guān)電源朝著控制集成化、整體小型化發(fā)展，這得益于PWM芯片的功能集成化，例如本文設(shè)計(jì)所提到的TL2844B。該控制器為離線或DC-DC固定頻率電流控制方案提供了必要的功能，并以數(shù)量最少的外圍器件實(shí)現(xiàn)控制方案。而且該器件成本較低，使用方便，可直接驅(qū)動(dòng)晶體管和MOSFET，其結(jié)構(gòu)上的電壓電流雙環(huán)反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)可有效提高開關(guān)電源的電壓調(diào)整率、負(fù)載調(diào)整率、系統(tǒng)穩(wěn)定性和瞬態(tài)響應(yīng)特性。

1 電源輸入和輸出要求

為了滿足變頻器對(duì)電機(jī)的可靠控制，在電壓電流采樣電路穩(wěn)定工作的前提下，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩控制算法的運(yùn)行，為電動(dòng)機(jī)提供持續(xù)高質(zhì)量的電能，需要開關(guān)電源為主控板、電壓電流采樣模擬電路及IGBT驅(qū)動(dòng)電路板提供穩(wěn)定潔凈的電源。而為了不增加額外的控制變壓器，開關(guān)電源輸入需要從變頻器直流母線取得電壓。根據(jù)變頻系統(tǒng)需求，本文所述的開關(guān)電源應(yīng)滿足下表所列電源輸入輸出要求。

表1 輸入輸出需求表

2 PWM控制器內(nèi)部原理

TL2844B內(nèi)部集成了一路2.5V精密基準(zhǔn)電壓和一個(gè)欠壓鎖定電路，電流反饋和電壓反饋引腳與內(nèi)部邏輯電路共同實(shí)現(xiàn)脈沖寬度調(diào)制和故障狀態(tài)下的封鎖，電壓反饋引腳上的電壓經(jīng)內(nèi)部運(yùn)算放大器跟隨和電阻降壓、穩(wěn)壓管穩(wěn)壓后得到1V以下的電壓信號(hào)，通過接入電流反饋引腳的電流采樣電阻上的分壓信號(hào)，將反饋電壓信號(hào)和電流檢測(cè)電阻上的電壓信號(hào)進(jìn)行比較，經(jīng)過邏輯電路對(duì)脈沖寬度進(jìn)行調(diào)節(jié)和封鎖等控制。時(shí)鐘控制采用外部配置RC震蕩電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，該芯片最大工作頻率為500kHz。

3 開關(guān)電源設(shè)計(jì)

開關(guān)電源按起動(dòng)方式分為反激式和正激式兩種。單端反激式開關(guān)電源以主開關(guān)管的周期性導(dǎo)通和關(guān)斷為主要特征。開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，變壓器初級(jí)線圈內(nèi)儲(chǔ)存能量；而開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，變壓器將初級(jí)線圈內(nèi)儲(chǔ)存的電感能量通過整流二極管給負(fù)載供電，直到下一個(gè)脈沖到來，開始新的周期。本開關(guān)電源硬件設(shè)計(jì)如圖1所示，它主要由直流輸入濾波電路、吸收電路、電流電壓反饋和PWM調(diào)制電路以及輸出側(cè)整流濾波電路組成。當(dāng)輸入電壓變化時(shí)，為了保持輸出電壓幅值穩(wěn)定，PWM控制器調(diào)節(jié)脈沖占空比以適應(yīng)輸入電壓的變化。

圖1 開關(guān)電源原理圖

3.1 輸入濾波電容選擇

電容C1為輸入濾波電容，能夠?yàn)V除輸入電壓中的高頻干擾，得到較為穩(wěn)定的輸入電壓。由于輸入電壓范圍在700Vdc～1200Vdc，因此C1的額定電壓選擇為1500V。

3.2 緩沖吸收電路設(shè)計(jì)

開關(guān)管在關(guān)斷的瞬間會(huì)產(chǎn)生很高的電壓尖峰脈沖，這不僅很容易使開關(guān)管由于電壓急劇升高而損壞，而且使電流采樣和輸出電壓的波形出現(xiàn)很尖的脈沖，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定工作。為此，R18、R20、R25、C18和D11、D12構(gòu)成RCD緩沖吸收電路，同時(shí)對(duì)于反激變壓器，R1、R6、R9、C6和D6、D7組成的緩沖電路，也具有同樣的作用，形成雙重的保護(hù)。

3.3 反饋電路設(shè)計(jì)

由于該電路所接負(fù)載為固定負(fù)載，每一路電源負(fù)載容量已經(jīng)確定，高頻變壓器已根據(jù)各路額定輸出電壓、電流進(jìn)行設(shè)計(jì)，因此僅用+15V電壓作為輸出電壓反饋。由于TL2844B供電電壓5V～30V均可正常工作，因此+15V反饋電壓也作為PWM控制器TL2844供電電源。

3.4 電流反饋和保護(hù)電路設(shè)計(jì)

電流的取樣由三個(gè)并聯(lián)的1.5Ω取樣電阻R26～R28完成，其峰值電流由誤差放大器控制，僅在MOS管開通時(shí)電流反饋和保護(hù)回路起作用。PWM芯片保護(hù)電流保護(hù)比較器同相輸入端被鉗位為1V，當(dāng)電流Is=1V/0.5=2A時(shí)，電流保護(hù)比較器翻轉(zhuǎn)狀態(tài)經(jīng)過觸發(fā)器輸出邏輯封鎖PWM輸出。

3.5 高頻變壓器設(shè)計(jì)

變壓器有多種工作方式，在此用單端反激工作方式。其基本工作原理是當(dāng)開關(guān)管受控導(dǎo)通時(shí)，高頻變壓器將電能變?yōu)榇拍軆?chǔ)存起來；而在開關(guān)管受控截止時(shí)，變壓器就將原先儲(chǔ)存的磁動(dòng)勢(shì)變?yōu)殡娔?，通過二極管向輸出電容充電，再由電容向負(fù)載供電。若PWM工作的占空比為D，n為初級(jí)和次級(jí)線圈匝數(shù)比，則輸出電壓Uo=DUi/[n(1-D)]。

4 測(cè)試結(jié)果

本電源已做成樣板，并經(jīng)過了輸入輸出調(diào)試，測(cè)試波形如圖2，其中a為在輸入電壓為1000Vdc時(shí)，次級(jí)各路輸出額定負(fù)載時(shí)，MOS管Vds波形，由圖可知，尖峰電壓已被控制在1100V以下，保證維持在MOS管額定耐壓以下并留有足夠的余量。b為+15V輸出電壓波形，由圖可知，紋波電壓Vpp在30mV以下，滿足變頻器各板件供電指標(biāo)需求。

圖2 測(cè)試波形圖

5 結(jié)論

本文介紹了一種基于TL2844B的適用于變頻器的開關(guān)電源硬件電路設(shè)計(jì)。通過試驗(yàn)驗(yàn)證可知，所設(shè)計(jì)的單端反激式開關(guān)電源充分運(yùn)用了TL2844B芯片完備的功能，可以長期穩(wěn)定運(yùn)行在寬范圍輸入的直流電壓下保證變頻器各板件的供電，其設(shè)計(jì)方法有較好的應(yīng)用前景。