基于SG3525和DC/DC变换器的大电流低电压开关电源设计
引言
本文介绍了以sg3525为控制核心、全桥变换器为主电路、输出直流电流45~90a可调的大电流低电压直流开关电源的设计，其输出电压可在5~15v自动调整以适应负载变化，从而保持恒定的输出电流。
1、电源总体设计 电源为恒流源工作方式，其输出电流可在45~90a连续可调，并稳定工作，最大输出功率1.35kw，采用pwm控制，开关频率30khz。
图1是电源框架图，图中未画出保护电路框图。单相220v交流输入经工频整流、滤波后向dc/dc全桥变换器供电。在电源合闸接入电源电压瞬间，由于电容器上的初始电压为零，电容器初始充电会形成很大的瞬间冲击电流，软启动电路用于防止该瞬间冲击电流，改善电源启动性能，保护emi滤波器、工频整流器件及电容器等，以保证开关电源正常而可靠运行。dc/dc全桥变换器主要由四个开关管组成的桥式逆变电路、高频变压器、输出高频整流及滤波电路组成，桥式逆变电路在控制及驱动电路作用下，将直流转换成高频方波交流，再经高频变压器降压以及副边高频整流、滤波后输出直流。电源控制电路由专用集成芯片sg3525及其外围电路构成pwm调制，经光电隔离、功率放大后直接驱动全桥变换器开关管，由于电源工作在恒流方式，且电流较大，所以应用电流传感器采样输出直流电流作为控制信号，反馈到控制电路，以实现pwm调制，达到稳定输出电流的目的。
2、主电路设计 本电源主电路拓扑结构如图2所示，由于该电源具有大电流低电压的特点，对高频干扰信号以及合闸瞬间的浪涌电流非常敏感，因此220vac/50hz交流电整流前先经emi滤波器滤波，大大减小了交流电源输入的电磁干扰，同时防止开关电源产生的谐波串扰到输入电源端。
高频变压器是dc/dc全桥变换器的核心磁性元件，许多其它主电路元器件的参数设计都依赖于变压器的参数，对其进行合理优化设计非常重要。本电源的高频变压器设计采用ap法，ap就是指磁芯有效截面积和线圈有效窗口面积的乘积。磁芯选用一对e型软磁铁氧体，考虑到变换器工作频率，磁芯工作磁感应强度bw设计为0.16t，根据电源主电路拓扑结构，高频变压器的计算功率为：
式中aw为磁芯窗口面积；ae为磁芯有效截面积；k0为窗口使用系数，一般典型值取0.4；kf为波形系数，本变压器原副边绕组波形为方波，取kf=4；fs为变压器工作频率（hz）；j为绕组导线电流密度，设计为400a/cm2。选用的ee磁芯ap值应大于计算值，由于副边电流较大，并绕的漆包线根数多，占用窗口面积大，最终选用磁芯为tdk的pc40ee70型磁芯。绕制工艺采用原副边交叉绕（两段式全包），以实现变压器原副边绕组的紧密耦合，减小漏感，实验结果表明满足设计要求。
dc/dc全桥变换器的高频整流采用全桥整流，因为输出电压比较低而电流比较大，二极管采用200a/60v的肖特基二极管mbrp20060ct，每只二极管均设置有rc吸收电路。输出滤波采用lc滤波，其滤波电感lf采用ap法设计，最终绕制的lf电感值为24.8μh、esr为0.001ω。
3、控制及驱动电路设计
电压控制模式集成芯片sg3525是美国半导体公司生产的一种功能齐全、通用性强的单片集成pwm芯片，采用恒频脉宽调制（pwm）方案，适用于多种开关电源的控制。本文设计的大电流开关电源的控制电路以sg3525为核心，采用pwm控制方式，电路如图3所示。sg3525的振荡频率f设定为60khz，f取决于5脚外接的定时电容ct、6脚外接的定时电阻rt以及7脚与5脚之间的放电电阻rd的大小，它们之间的关系满足下式：
式中ct、rt、rd取值分别为4700pf、4.7kω、200ω，振荡频率为62khz，11脚和14脚输出的pwm驱动脉冲信号频率为31khz。11脚和14脚输出脉冲之间的死区时间td不仅与7脚与5脚之间放电电阻rd的大小有关，还与定时电阻rt有关，本电路中死区时间约3μs。
电源输出直流电流经霍尔电流传感器cs（图2中所示）采样后转换成直流电压作为反馈信号uf，再经集成运放比例放大后输入到sg3525误差放大器的反相输入端1脚，芯片内部5.1v基准电压源vref经电阻r10、rv1、r11分压后输入到误差放大器的同相输入端2脚，形成差分输入，误差放大器的输出端即芯片内部pwm比较器的输入端9脚经r8、c7反馈到1脚，构成pi调节，以此来调整igbt驱动信号占空比，从而达到稳定输出电流的目的。此外，输出过压、过流、过热等故障经电路处理后形成保护信号up输入到sg3525的外部控制端10脚，一旦up为高电平，芯片内部工作被关断，11脚和14脚输出的pwm驱动信号被关闭，主电路igbt关断，从而实现主电路保护功能。
igbt驱动电路如图4所示。sg3525输出的驱动信号经高速光耦u3隔离后，输入到两只三极管q1、q2构成的功放电路进行功率放大，以提高驱动信号的驱动能力，保证igbt可靠导通，功放的输出经igbt栅极电阻rg接到栅极。栅极负偏压电路由限流电阻r17、9.1v稳压二极管dz以及滤波电容c11构成，可在igbt关断时提供给栅极9.1v的负偏压。另外，为了防止igbt栅极与发射极之间开路而意外损坏igbt，在其栅极和发射极之间并接有电阻r18，其阻值为39kω。实际应用中，igbt的栅极驱动电压vce通常推荐使用+15v，本设计中vce取值为+15v。当sg3525输出脉冲为高电平时，光耦输出三极管集电极为高电平，功放电路中三极管q1导通、q2截止，施加在igbt栅极与发射极之间电压为+15v，igbt导通；当sg3525输出脉冲为低电平时，光耦输出三极管集电极为低电平，功放电路中三极管q1截止、q2导通，施加在igbt栅极与发射极之间电压为-9v，igbt关断。
4、电源试验 图5（a）、（b）分别是输出电流45a时全桥变换器两个桥臂中点a与b之间的电压uab波形、霍尔电流传感器输出的反馈信号uf波形。图5（a）表明电源的全桥变换器实际工作情况与理论相符，uab波形正负半周对称，由于变压器存在漏感，因此uab波形正负半周均存在一个复位电压［15］，如图中较狭窄的电压方波。霍尔电流传感器原边、副边匝比是1:2000，传感器输出端采样电阻为精度1%的金属膜电阻，阻值为30ω，由图5（b）可见，电源输出电流约为45a。
图6（a）、（b）分别是输出电流90a时全桥变换器两个桥臂中点a与b之间电压uab波形、霍尔电流传感器输出的反馈信号uf波形。由图6（b）可见，电源输出电流约为90a。
此外，试验结果也表明，通过调节控制电路中的电位器rv1，电源输出电流能从45a连续变化到90a，且能稳定工作。
5、结束语 本文以电压控制模式集成芯片sg3525为控制核心、dc/dc全桥变换器为主电路，设计了一台最大输出功率1.35kw、输出电流从45a到90a连续可调的直流开关电源样机，本电源结构简单，调试方便，所需器件较小。最终试验结果表明，本电源能可靠稳定工作，输出直流电流能从45a到90a连续可调，能满足对直流开关电源输出电压纹波要求不高的小型污水处理等环保场合，具有较好的应用前景。
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图1是电源框架图，图中未画出保护电路框图。单相220v交流输入经工频整流、滤波后向dc/dc全桥变换器供电。在电源合闸接入电源电压瞬间，由于电容器上的初始电压为零，电容器初始充电会形成很大的瞬间冲击电流，软启动电路用于防止该瞬间冲击电流，改善电源启动性能，保护emi滤波器、工频整流器件及电容器等，以保证开关电源正常而可靠运行。dc/dc全桥变换器主要由四个开关管组成的桥式逆变电路、高频变压器、输出高频整流及滤波电路组成，桥式逆变电路在控制及驱动电路作用下，将直流转换成高频方波交流，再经高频变压器降压以及副边高频整流、滤波后输出直流。电源控制电路由专用集成芯片sg3525及其外围电路构成pwm调制，经光电隔离、功率放大后直接驱动全桥变换器开关管，由于电源工作在恒流方式，且电流较大，所以应用电流传感器采样输出直流电流作为控制信号，反馈到控制电路，以实现pwm调制，达到稳定输出电流的目的。
2、主电路设计 本电源主电路拓扑结构如图2所示，由于该电源具有大电流低电压的特点，对高频干扰信号以及合闸瞬间的浪涌电流非常敏感，因此220vac/50hz交流电整流前先经emi滤波器滤波，大大减小了交流电源输入的电磁干扰，同时防止开关电源产生的谐波串扰到输入电源端。
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4、电源试验 图5（a）、（b）分别是输出电流45a时全桥变换器两个桥臂中点a与b之间的电压uab波形、霍尔电流传感器输出的反馈信号uf波形。图5（a）表明电源的全桥变换器实际工作情况与理论相符，uab波形正负半周对称，由于变压器存在漏感，因此uab波形正负半周均存在一个复位电压［15］，如图中较狭窄的电压方波。霍尔电流传感器原边、副边匝比是1:2000，传感器输出端采样电阻为精度1%的金属膜电阻，阻值为30ω，由图5（b）可见，电源输出电流约为45a。
图6（a）、（b）分别是输出电流90a时全桥变换器两个桥臂中点a与b之间电压uab波形、霍尔电流传感器输出的反馈信号uf波形。由图6（b）可见，电源输出电流约为90a。
此外，试验结果也表明，通过调节控制电路中的电位器rv1，电源输出电流能从45a连续变化到90a，且能稳定工作。
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