低电压大电流开关电流的设计

1 开关电源的设计

开关电源的基本结构主要由7部分组成：输入整流滤波电路、高频开关变换器电路、整流输出电路、控制电路、保护电路、辅助电源以及显示电路。

1．1 主电路

该设计的主电路拓扑结构如图1所示，输入市网220 V电压，通过RC滤波及整流桥整流、全桥逆变、高频变压器、输出整流以实现AC／DC／AC／DC的变换过程，最终得到所需要的15 V直流稳压电源。

1．1．1 输入滤波整流(AC／DC)

低电压大电流的开关电源对高频干扰信号以及上电瞬间的浪涌电流十分敏感，为了保证电路稳定工作，消除来自电网的各种干扰，输入的220 V市电首先经RC滤波电路，对尖峰电压进行抑制。高频滤波后的电压经整流电路整流，得到直流电压。桥式整流电路后面的滤波电具有充放电作用，滤除整流后的交流成分。

1．1．2 高频开关变换器(DC／AC)

它是开关电源的重要部分，逆变电路采用全桥变换，由4个IGBT开关管组成桥的四臂，每个IGBT并联1个高速功率二极管，其钳位作用以减小开关管由导通转换为截止时，变压器产生的电压尖峰，以保护开关管不被击穿。IGBT，绝缘栅双极型晶体管，既具有输入阻抗高、速度快、热稳定性好和驱动电路简单的优点，又有通态电压低、耐压高的优点。开关管IGBT的栅极接收PWM信号，当门极加正压，MOSFET内形成沟道，并为PNP晶体管提供基极电流，从而使IGBT导通。此时从P区注入到N区进行电导调制，减小N一的电阻值，使高耐压的
IGBT也具有低的通态压降。在门极上加负电压时，MOSFET内的沟道消失。PNP晶体管的基极电流被切断，IGBT关断。T1、T4与，I2、 轮流高频通断，将直流电压变成交流电压，再经高频隔离变压器变成所需的隔离输出交流电压。此处的高频变压器采用铁基铌铜纳米晶环形铁芯高频变压器，这种变压器具有损耗小、漏感低、体积小等特点。

摘要：介绍了一种以PWM控制芯片UC3825为核心的低压大电流开关电源的设计方案，阐述了主电路的拓扑结构及主控制电路的电路设计，并设计了软启动及过压过流保护电路，应用反馈手段和脉宽调制技术实现了电压、电流的稳定输出，并研制了1台15 v／1 200 A的样机。

关键词：开关电源；脉宽调制；变换器

1 开关电源的设计

开关电源的基本结构主要由7部分组成：输入整流滤波电路、高频开关变换器电路、整流输出电路、控制电路、保护电路、辅助电源以及显示电路。

1．1 主电路

该设计的主电路拓扑结构如图1所示，输入市网220 V电压，通过RC滤波及整流桥整流、全桥逆变、高频变压器、输出整流以实现AC／DC／AC／DC的变换过程，最终得到所需要的15 V直流稳压电源。

1．1．1 输入滤波整流(AC／DC)

低电压大电流的开关电源对高频干扰信号以及上电瞬间的浪涌电流十分敏感，为了保证电路稳定工作，消除来自电网的各种干扰，输入的220 V市电首先经RC滤波电路，对尖峰电压进行抑制。高频滤波后的电压经整流电路整流，得到直流电压。桥式整流电路后面的滤波电具有充放电作用，滤除整流后的交流成分。

1．1．2 高频开关变换器(DC／AC)

它是开关电源的重要部分，逆变电路采用全桥变换，由4个IGBT开关管组成桥的四臂，每个IGBT并联1个高速功率二极管，其钳位作用以减小开关管由导通转换为截止时，变压器产生的电压尖峰，以保护开关管不被击穿。IGBT，绝缘栅双极型晶体管，既具有输入阻抗高、速度快、热稳定性好和驱动电路简单的优点，又有通态电压低、耐压高的优点。开关管IGBT的栅极接收PWM信号，当门极加正压，MOSFET内形成沟道，并为PNP晶体管提供基极电流，从而使IGBT导通。此时从P区注入到N区进行电导调制，减小N一的电阻值，使高耐压的
IGBT也具有低的通态压降。在门极上加负电压时，MOSFET内的沟道消失。PNP晶体管的基极电流被切断，IGBT关断。T1、T4与，I2、 轮流高频通断，将直流电压变成交流电压，再经高频隔离变压器变成所需的隔离输出交流电压。此处的高频变压器采用铁基铌铜纳米晶环形铁芯高频变压器，这种变压器具有损耗小、漏感低、体积小等特点。

1．1．3 输出整流滤波(AC／DC)

由高频隔离变压器输出的逆变电压，经过大功率高频整流二极管SBD(即肖特基二极管)构成的整流电路整流，再经Lc滤波电路滤波后输出直流电压，输出端的分流器对输出进行采样，传送到控制电路进行控制调节，输出稳定的电压。

1．2 控制电路

控制电路是开关电源稳定工作的重要保证，选取UC3825作为控制芯片，它由振荡器、PWM比较器、PWM锁存器、输出驱动器、限流比较器、过流比较器、基准电压源、故障锁存器、软启动电路、欠压锁定等组成。UC3825最高开关频率可达到1 MHz，输出脉冲最大传输延
迟时间为50 ns，具有软启动控制和欠压锁定等功能，应用UC3825的功能设计开关电源的控制电路，UC3825的2个脉冲输出端为开关管IGBT提供PWM驱动信号，交替输出脉冲。因此，每个输出端输出脉冲的频率是振荡器频率的1／2，振荡器的频率为200 kHz，所以输出PWM脉冲的频率为100 kHz，输出脉冲占空比在0％ ～50％以内调整，为了避免桥臂短路，常设置死区时间，因此实际应用中一般达不到50％ 。UC3825的4、6、11、14脚的波形如图2所示，11、14脚波形经驱动电路输出耦合至IGBT的栅极，控制IGBT的开通和关断。开关管的驱动电路如图3所示。

在实际应用中，IGBT的驱动电路对IGBT的工作好坏具有相当大的影响，因此，驱动电路要具有几点要求：能提供合适的正反向电压，保证管子可靠的开通和关断；动态驱动能力强；信号传输基本无延时，提高工作速度；当出现异常情况时，IGBT能实现软关断，对管子进行过压、过流保护。使用的驱动电路能够提供+15 V和一15 V的正向和反向电压，开通和关断延时控制在1 s内，且具有过压和短路保护，另外，具有故障软关断功能。

为了得到稳定的输出，在输出端进行实时采样。如图4所示，采样电流流经采样电阻会产生一个压降，将该压降作为反馈信号，输入到电压比较器，与给定的基准电压进行比较，产生一个差值，通过误差放大器比较放大后，输出的差值信号和锯齿波(或三角波)比较，从而改变输出脉冲的宽度，当输出大于

基准电压时，减小脉冲宽度占空比，反之，则增大占空比，以实现能得到一个稳定的输出。

1．3 保护电路

考虑到开关电源的特点和实际的电气特性，为了使其能在恶劣环境以及突发故障情况下安全可靠地工作，在实际的制作中充分利用UC3825的特性，设计了电压电流保护电路以及软启动保护等保护电路。软启动是通过软启动(SOFT、START)脚的外接电容实现的。接通电源后，软启动脚外接电容放电，该脚处于低电平，误差放大器输出低电平，开关电源无输出电压。当内部电流源给软启动脚外接电容充电时，