5 kW 弧电源的设计与仿真

5 kW 弧电源的设计与仿真(1)

时间:2010-03-29 来源:核工业西南物理研究院 编辑:李民久

介绍了开关电源的优点和大功率弧电源的结构,给出了以SG3525 为控制核心的弧电源的设计方法。该电源主电路采用全桥式逆变电路, 应用平均电流模式控制的PWM调制技术实现电流的稳定输出。并应用OrCAD15.7 仿真工具对主电路和控制电路建模并进行闭环仿真,得到了与设计要求相符合的实验结果,通过对仿真结果的分析验证了设计方案的可行性。试验表明, 该弧电源具有良好的性能。

随着电力电子技术的高速发展,电力电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切, 而电子设备都离不开可靠的电源, 其性能关系到整个系统能否安全可靠地工作, 因此电子设备对电源的要求日趋增高。开关电源是利用现代电力电子技术,控制开关晶体管开通和关断的时间比率,维持稳定输出电压的一种电源, 开关电源一般由脉冲宽度调制( PWM) 控制功率开关器件构成,具有功率转换效率高、稳压范围宽、功率密度比大、体积小、重量轻、成本低、可靠性和稳定性较好等优点。逆变式弧电源是一种新型弧电源,由主电路、控制电路两部分组成。其中主电路由整流环节、滤波环节、逆变环节、变压整流滤波环节等部分组成, 直接为电弧负载提供电功率。本电源的设计要求为输出空载电压65 V , 额定电流150

A ,频率100 Hz ,额定功率5 kW，纹波电流为输出电流I0 的3％。

1、弧电源的主回路设计

1.1、主回路的结构

主电路结构图如图1 所示。

图1 电源主电路原理图

整流部分采用单相全波整流模块, C1 是工频滤波电容, 滤波后的直流电送入全桥式逆变电路的输入端。逆变电路的开关管选用IRF 公司的功率MOSFET, 每个桥臂上下部分都由三个MOSFET 并联。在开关电源中使用全桥型逆变电路主要有以下突出优点：变压器双向励磁，容易达到大功率。全桥型逆变电路的功率范围：几百瓦～几百千瓦。但其主要缺点：结构复杂，成本高，可靠性低，需要复杂的多组隔离驱动电路，有直通和偏磁问题。由于MOSFET 的导通电阻程正温度系数特性，本身具有并联均流特性，在输出功率一定的

情况下，采用多个MOSFET 并联可以使单管承受的导通电流减小，单个管耗减小，提高开关电源的稳定性。驱动电路驱动两个前后桥臂上下的MOSFET 同时导通, 将输入电压交错叠加到高频变压器的初级, 并且可以使用改变占空比的方法调整输出电压。高频变压器的输出经二极管和电抗器进行整流、滤波,输出稳定的直流。

1.2、开关管的选择

本设计中全桥变换器的四个桥臂采用MOSEFT 管，每个桥臂上下部分由三个MOSEFT管并联。工频电源经单相整流滤波后的直流母线电压最大值为341 V，由于电路工作在全桥变换器的状态下，功率开关管的电压一般取高于母线电压的两倍，本文MOSEFT 的额定电压可选为500V。输出滤波电感的电流最大值为150 A,那么变压器的原边电流最大为

150/K=30 A (K 取值为5)，原边电流的最大值同样是开关管中流过的最大电流，由于每个桥臂上下部分由三个MOSEFT 管并联，所以每个MOSFET 流过的最大电流为10 A,取2 倍的裕量， 就取额定电流大于20 A 的MOSEFT 管。综合考虑电压和电流，MOSEFT 管选择IRFP460。

1.3、输出整流滤波电路

由于在本设计中输出采用三个型号和绕制工艺相同的变压器通过三个电容耦合后并行输出，其电路图如图2 所示（每个整流二极管上的缓冲电路未画出）。由于额定功率为5kW，每个变压器承受的功率为1667 W，单个变压器输出的电流为50 A, 减小了单个变压器线径和体积，将三个变压器并排在输出整流电路板的中央，使整个电源结构设计合理，体积被压缩。

由于输出整流采用的全波整流，由图2 可知，二极管D1、D3 和L1 构成一组全波整流滤波电路，二极管D2、D4 和L2 构成一组全波整流滤波电路，总共6 组全波整流电路。由于6 组全波整流电路并行运行，所以降低了单个整流二极管的电流裕量，提高开关电源的稳定性，同时也降低了成本。

图2 输出整流电路图

2、SG3525 的应用电路及工作原理

SG3525 是一款功能齐全、通用性强的单片集成PWM芯片。它采用恒频脉宽调制控制方案,适合于各种开关电源、斩波器的控制。其主要功能包括基准电压产生电路、振荡器、误差放大器、PWM 比较器、欠压锁定电路、软启动控制电路、推拉输出形式。该芯片与其它同类型的芯片相比具有许多突出的特点。

利用SG3525 建立的大功率直流开关电源的反馈控制电路如图3 所示, 下面主要介绍平均电流模式PWM控制模块。本设计采用双环控制，它包括两个负反馈控制环：内环是电流环，外环是电压环。

图3 控制电路图

如图3 所示，端口1（input1)、端口2（input2)和端口3（input3)均为反馈输入端，端口1 接弧电源输出的地线端，端口2 接弧电源输出高电压端，端口3 接电流取样电阻，所以V1 是弧电源输出端的电压反馈信号，V2 是电感电流取样反馈信号。所以有V1 到V3 之间的电路为电压负反馈环，V2 到V4 之间的电路为电流负反馈环。由于本设计中弧电源为降压型设计，输出空载电压为65 V，在带负载时，输出电压会更小，只要将R13和R14 参数取够裕量，所以不用隔离反馈，电路依然可靠，同时也提高了反馈速度。V1 和V2 的极性都为负(即V1=- Vout，V2=- I0×R，Vout 为电源输出电压，I0 为输出电流，R 为取样电阻阻值）。由于SG3525 的误差放大器的1 脚接地，2 脚接16 脚，由于16 脚为内部参考电压5.1 V 输出端，所以误差放大器工作在开环放大状态，其输出端9 脚在不接任何电路时，其电压为5.1V；又因三极管Q1 的集电极接在9 脚上，所以9 脚的电位将受到Q1 集电极电位的推拉。

当电源输出电压Vout 升高时，V1 电压下降，D2阳极端的电位将被拉低，Q2 的基极和射极电压将下降，反向放大器输出电压将上升，三极管Q1 的集电极电压将下降，导致SG3525 的误差放大器输出端9脚的电压被拉低，比较器输出的脉冲宽度变宽, 11和14 脚输出的PWM 脉冲宽度反而变窄, 从而使电源输出电压Vout 降低; 反之, 当Vout 下降使9 脚电压升高,11 和14 脚输出的PWM脉冲宽度变宽。又当I0 增大，V2 减小，反向放大器输出电压V4 将上升， 三极管Q1 的集电极电压将下降， 导致SG3525 的误差放大器输出端9 脚的电压被拉低，比较器输出的脉冲宽度变宽, 11 和14 脚输出的PWM脉冲宽度反而变窄, 从而使输出电压Vout 降低， I0 也减小；反之,当I0 下降使9 脚电压升高,11和14 脚输出的PWM脉冲宽度变宽。通过调节R9阻值的大小，可以起到电压给定的作用，确定弧电源输出电流的大小。由于电流和电压反馈调节的方向都是相同的，所以共同达到稳流的作用。

3、MOSEFT 驱动电路的设计

驱动电路如下图4 所示。

图4 功率放大电路和驱动变压器电路

驱动电路包括的功率放大电路、全桥逆变电路和变压器电路。从S3G525A 的11 脚和14 脚输出幅值约为12 V 的方波电压，经过推挽电路与钳位稳压二极管和电容并联的电路产生全桥逆变电路的驱动电压，直接驱动全桥逆变电路中的开关管，使驱动功率进一步增大。将直流电压逆变成幅值为24 V 的交流方波电压，经耦合电容加在驱动变压器一次侧。驱动变压器为四个副边，主电路中全桥逆变电路的同桥臂的上下两个MOSEFT 的栅源接的变压器同名端方向相反，如上图5 电路所示T1 和T2 分别用来驱动前桥臂的上下两个MOSEFT 管，T3 和T4 分别用来驱动后桥臂的上下两个MOSEFT 管。

4、电源整个回路的PSpice 仿真

本设计对弧电源建立了输入整流滤波电路、全桥变换器主电路、高频变压器、以SG3525 为核心的反馈控制电路、驱动电路各部分电路的仿真模型，形成闭环电路模型，并采用PSpice 软件对电路进行参数仿真。主要仿真参数如下:输入直流电压:310 V；输出直流电流:150 A；Q1～Q4:IRFP460；变压器变比:15:3 ；滤波电容:0.001 u；滤波电感:50 uH ；开关频率:100 k。如图5 所示，曲线1 为全桥逆变电路的直流输入电压，曲线2 为弧电源的输出电流，曲线3为弧电源的输出电压；从图5 中可以看出，在全桥逆变电路的直流输入电压310 V 未发生波动前，弧电源输出调节为34 V/89 A,当工频整流后的输出电压从310 V 迅速上升到340 V 时，输出电流未发生大的波动，并经过0.04 ms 电源输出被稳定在34 V/89 A。等离子体电弧控制需要很短的反应时间(小于几毫秒),所以0.04 ms 的调整时间是足够的。

图5 输出电压和电流波形图

图6 是电源的输出电压和电流波形图，曲线1 为电压，曲线2 为电流。图a 为负载为0.25Ω时模拟的结果，电压为37.5 V,电流为150 A；当负载为0.2 Ω 时，从图b 中可以看出，电压为30 V,电流为150 A，所以当负载发生变化时，电源输出电流未变化，电源起到了稳流的作用。

图6 输出电压和电流波形图

在仿真软件下实现系统的电路，通过仿真波形的验证可以看出元件的参数选择合理，模型的仿真结果和实际电路结果相一致，说明电路模型是可行的。电路的总体仿真模型对开关电源的设计有着辅助意义。

图7 样机在额定负载时输出波形

5、样机研制

主要技术指标：输入电压为单相AC220V±10％，空载电压65 V，输出电流150 A±3％，额定功率5 kW。所得样机在额定负载时输出波形如图7 所示。由图a 的实际读数可知，输出电流为150 A，电流波动在±4 A 内，由ΔI= 4/150 ×100%≈2.67%可知，其最大电流波动小于3％。由图b 所示输出电压纹波小并稳定，与理论设计值相吻合。

6、结论

本电源设计简单, 调试方便, 所需元器件较少, 体积小, 成本低。在实际测试中,电源的各项特性均达到性能指标要求,电流的连续性好,能够抑制负载变化时产生的波动, 保证电弧在工作过程中稳定、连续。本文的创新点是在输出大电流大功率的情况下，充分利用MOSFET 并联均流特性和变压器并联分流的特性，提高电源的可靠性，优化了结构设计，提高了功率密度，并降低了成本；以及设计了一个简单的反馈网络实现了双环反馈, 提高了电源输出电流的稳定性；采用计算机辅助设计对电路进行闭环仿真计算，仿真实验在项目开发过程中起到了指导作用, 有效地利用仿真测试,可以节约开发成本,提高产品发效率。

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