应用于微波源的开关电源设计

微波源

应用于微波源的开关电源设计

韩维建

(哈尔滨第二电业局,黑龙江哈尔滨150076)

摘 要:设计采用TL494为核心的PWM控制芯片,以半桥式转换器为电路拓扑,通过高频变压器的结构和电路设计,完成适用于微波源的高压高频开关电源的设计方案。设计的开关电源具有体积小、重量轻、效率高、控制精度高、稳定度高等优点,可替代原来的高压直流电源应用于微波源中,高效节能,可取得很好的经济效益。关键词:微波源;开关电源;高频变压器;TL494;PWM

中图分类号:TN86 文献标识码:A 文章编号:1008 5696(2011)01 0108 03

DesignofSwitchingPowerSupplyinMicrowaveSource

HANWei Jian

(TheSecondElectricPowerBureauofHarbin,Harbin150076,China)

Abstract:PWMcontrolchipwithcoreofTL494isusedinthisdesign,circuittopologyuseshalfbridgeofconvert er.Accordingtostructureandcircuitdesignofhighfrequencytransformer,accomplishingthedesignschemeofhighvoltage,highfrequencyswitchingpowersupply.Thedesignhassmallvolume,lightweight,highefficiencyandhighprecision,andhighreliabilityetc,forreplacinghighvoltageDCpower,usinginmicrowavesource,andefficientsavingenergy,goodeconomicbenefitofthedesignwillbereceived.

Keywords:microwavesource;switchingpowersupply;highfrequencytransformer;TL494;PWM 微波源在食品工业、橡胶工业、陶瓷工业、雷达系统、微波生物效应等领域有着广泛的应用,其电源是一种被广泛应用的有着特殊要求的电源,在多数微波源设备中采用高压直流电源。随着电力电子技术、开关器件和其他相关技术的发展,如新理论、新技术的指导,新器件、新材料的进步以及控制的智能化等,使用高压开关电源替代原来的高压直流电源,可取得很好的经济效益。开关电源具有体积小、重量轻、效率高、控制精度高、稳定度高等优点,被誉为高效节能电源,现已成为稳压电源的主导产品。高度集成、功能强大的开关型稳压电源代表着开关电源发展的主流方向。开关电源技术运用功率变换器进行电能转换,可以满足各种用电要求,由于其高效节能可带来巨大经济效益,因而,已引起社会各方面的重视而得到广泛推广。

式转换器为电路拓扑,设计一种适用于微波源的高压高频开关电源。设计参数:输入电压为AC220V 15%;输出电压为1000~2000VDC;最大输出电流为0.3A;开关频率为100kHz;效率为80%。

隔离式开关电源的变换器具有多种形式,主要分为半桥式、全桥式、推挽式、单端反激式、单端正激式等。各种形式电源电路的基本功能块是相同的,只是完成这些功能的技术手段有所不同。隔离式高频开关电源电路的共同特点就是具有高频变压器,直流稳压是从变压器次级绕组经脉冲电压整流滤波而来。开关电源的基本功能如图1

所示。

1 设计方案

采用TL494为核心的PWM控制芯片,以半桥

收稿日期:2010 10 24

作者简介:韩维建(1974-),男,工程师,研究方向:电力系统.

图1 开关电源方框

微波源

第1期韩维建:应用于微波源的开关电源设计 109

2 主电路设计

主电路设计主要包括:输入整流滤波电路、半桥式变换电路设计、高频变压器设计、输出电路设计。开关电源输入电压为AC220V,50Hz的交流电,经过滤波、整流后变为直流,通过控制电路中开关管的导通和截止而使高频变压器的一次测产生低压高频电压,经由小功率高频变压器耦合到二次测,再经整流滤波,得到直流电压输出。2.1 半桥式变换电路设计

变换电路如图2

所示。

升为50 时)。

而其值等于磁芯有效截面积Ae和它的窗口截面积Ae的乘积,即

Ap=AcAe.

2

2

(5)

选EE50磁芯Ac=2.26cm,Ae=2.52cm,则代入公式(6)得

Ap=AcAe=2.262.52=5.69>3.79.(6)在变压器的设计中,变压器的输出能力必须大于它的设计输出能力。

绕组计算:初级匝数忽略开关管压降,Up1=Ui/2=200V,代入公式得

Ton=D/f=0.379/50 104=7.58us.

(7)

-2

p1on==16.8匝.N1=

2 0.2 2.262 Bm Ac

(8)

图2 半桥式变换电路原理

次级匝数忽略整流压降Up2=Uo时N1=Up2N1/Up1=2000 17/200=170匝,

(9)

留有余量,N1取为17匝,N2取为180匝。

电流密度J=Kj Ap初级绕组电流

Ip1=UoIo/Up1=2000 0.3/200 3A.

(11)

导线截面积

Sm1 Ip1/J=3/4.18=0.72mm.

(2)

穿透深度

=66/

=0.295mm.

(13)

导线线径应该小于两倍穿透深度,选线径应为0.54mm,取AWG24#线4根并绕。

导线截面积Sm2 Ip2/J=0.3/4=0.75mm。选线径为0.4mmICAWG27#线单根绕制。

2.3 输出电路的设计

输出电路采用全桥整流,输出滤波采用LC电

(3)

路。因输出电流不是很大,整流二极管选用DYV-32,主要技术参数为:最大电流为15A,最大耐压为1500V,反向恢复时间<45ns,电路中全桥整流的每个桥路有两个二极管串联组成,以保证耐压。

2

2

-0.14

在电容器的中点和变压器一次侧增加隔直电容,半桥电路对两个开关管导通时间不对称而造成的变压器一次侧电压的直流分量有自动平衡作用,因此不容易发生变压器的偏磁和直流磁饱和。当滤波电感L的电流连续时输出电压

UoN2Ton

==.UiN1T

(1)

10

-2

=534 5.69

-0.14

(10)

10-2=4.18A/mm2.

如果输出电感电流不连续,输出电压Uo将高于式(1)的计算值,由公式(2)可得出并随负载减小而升高,在负载为0的极限情况下

2i

Uo=.

N12

2.2 高频变压器的设计

开关电源中应用最为广泛的是软磁锰锌铁氧体磁芯,主变压器选用山东东泰的DTT-P3材料,主要参数:Br=0.12T(25 ),Bs=0.5T(25 ),0 39T(100 );居里温度>230 。开关电源变压器的计算功率为

P1=P0 (1+1/ )=UoIo (1+

1/0.8)=1350W.

于磁芯面积的乘积Ap

Ap=

14

4 Bm f Kw Kj

1.16

(12)

变压器的输出能力即磁芯的输出能力,它取决

=3.79cm4.

(4)

式中:f为工作频率,f=50Hz;Bm为工作磁感应强度,Bm=0.2T;Kw为磁芯窗口占空系数,Kw=0.2;Kj为E形磁芯的电流密度系数,Kj=534(温

3 控制电路设计

半桥式变换器的控制电路芯片选用TL494,是一种固定频率、适用于各种调宽型开关电源的脉宽调制型控制器,设计电路如图3所示。

微波源

110

交通科技与经济 第13卷

D=45-

45-

2028%=1+

R26

(15)

%=37.9%.1+

2

4 结束语

高压开关电源的研制是一项要求知识面宽,难度大的工作。设计微波开关电源,采用TL494芯片设计电路,通过脉冲宽度调制电路和整流滤波电路,从220V交流电压中得到了稳定的高压直流电压,提高了电源的功率因数,减少了谐波污染,但在高效的交直变换电路拓扑方面还需进一步研究。

参考文献

图3 控制电路

在相同输出功率的情况下,频率越高,磁芯越小,如提高频率一倍,磁芯损耗将增加到原来的3倍。开关管的开关损耗和开关频率成正比,开关频率太高会加大散热片的体积,同时导致开关浪涌尖峰,产生较强干扰信号。折衷考虑,取R27=Rt=10K,C22=Ct=1000PF,则f=

==100kHz.3RtCt10 1012

(14)

输出方波占空比D约为

[1]徐德鸿,沈旭等译.开关电源设计指南[M].北京:机械工业出版社,2004:124 129.

[2]TexasInstruments,DesigningSwitchingVoltageRegu latorsWithTL494[J],2003:25 26.

[3]钱月花.用PROTEL99辅助分析与设计+5V直流稳压电源[J].沙洲职业工学院学报,2003(6):13 15.

[4]谢颖.浅谈混合微波集成电路的制作技术[J].硅谷,2010(4):38.

[5]梁天晓.电除尘器三相/高频高压电源技术与性能分析[J].自动化应用,2010(7):23 25.

[责任编辑:王 欣]

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/dkt4.html