用于三相產(chǎn)業(yè)應用系統寬電壓電源

由三相交流電源供電的產(chǎn)業(yè)設備往往需要一個(gè)輔助電源為控制電路提供穩定的低壓直流電壓。但是，對這種穩壓電源的技術(shù)要求比單相電源高得多，其額定輸進(jìn)電壓比較高。而且在產(chǎn)業(yè)環(huán)境中，由于大負載接進(jìn)電網(wǎng)或者脫離電網(wǎng)，或者由于在某個(gè)地方電網(wǎng)出現故障，電網(wǎng)電壓經(jīng)常會(huì )出現很大浪涌、長(cháng)時(shí)間跌落或者瞬間下降。這就要求電源能夠處理所有這些情況而不會(huì )出現故障。
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本文探討在設計三相應用系統中使用的開(kāi)關(guān)型供電電源時(shí)碰到的題目，并且提出一個(gè)結構緊湊、經(jīng)濟有效的設計方案，它可以在輸進(jìn)電壓變化范圍很寬的情況下工作。

設計目標

目標是設計一個(gè)由電網(wǎng)供電，輸進(jìn)為三相電壓的開(kāi)關(guān)型電源。它的輸進(jìn)電壓變化范圍很寬，總體工作效率很高，輸進(jìn)電壓波動(dòng)對直流輸出的影響很小。

對于三相應用系統，例如電能表，供電電源必須能夠在輸進(jìn)為57～580 VAC的三相交流電壓范圍內工作，而且在偶然失往一相或者中線(xiàn)沒(méi)有接上的情況下也如此。

對于輔助供電電源，反激式電路最適合，這種電路有以下優(yōu)點(diǎn)：

● 只使用一個(gè)有源開(kāi)關(guān)，簡(jiǎn)化了電路設計。
● 在電路中使用一個(gè)繞線(xiàn)元件（在輸出端不需要使用很大的扼流圈作為濾波器）。
● 很輕易產(chǎn)生多路輸出電壓。
● 元件數目很少，本錢(qián)很低。

對于反激式轉換器，在輸進(jìn)交流電壓最大的情況下，MOSFET的擊穿電壓至少是整流后的峰值電壓的1.6倍。在交流輸進(jìn)電壓為580 VAC時(shí)，需要使用1200V的MOSFET，增加了本錢(qián)，而且一般是不可能使用開(kāi)關(guān)集成電路—使用開(kāi)關(guān)集電成電路會(huì )大幅度地簡(jiǎn)化反激式轉換器電路。

Power Integrations的LinkSwitch?TN集成了一個(gè)700V的MOSFET和控制器，與使用一只分立MOSFET和外接控制集成電路的方案相比，可以減少20～30個(gè)外接元件。這個(gè)集成電路的額定電壓是700V，只能用于一相。不過(guò)，串聯(lián)一個(gè)外接MOSFET，或者用StackFETTM的接法，可以把最大電壓分配在這兩個(gè)器件上，因而總的額定電壓即是兩個(gè)MOSFET的額定電壓之和。

設計結果

圖1是一個(gè)輸出為12V、電流為250mA的反激式電源電路，它的輸進(jìn)是單相或者三相電壓。把StackFET技術(shù)用在低本錢(qián)的600V MOSFET上，得到總額定電壓為1300 V的電路。在47～63Hz的頻率范圍，輸進(jìn)為單相或者三相110 VAC、220 VAC或者 440 VAC時(shí)；在輸進(jìn)失往一相或者不止一相，中線(xiàn)沒(méi)有接上，或者電網(wǎng)電壓長(cháng)時(shí)間下降或者出現浪涌的情況下，這個(gè)電源仍然可以很好地工作。

電路的工作原理

圖1為L(cháng)inkSwitch-TN集成電路，型號為L(cháng)NK304P（圖中元件U1），接成反激式轉換器，充分地利用它的66 kHz的開(kāi)關(guān)頻率。該電路運用了通斷控制，利用跳過(guò)幾個(gè)開(kāi)關(guān)周期的個(gè)方法來(lái)調整輸出電壓。當負載減少時(shí)，實(shí)際的開(kāi)關(guān)頻率下降，開(kāi)關(guān)損耗成比例地下降，工作效率進(jìn)步到最大。

注：在市電電壓高或者負載小的情況下，頻率固定的標準PMW控制器的效率很低，這是由于它們工作頻率低、占空比小的緣故。使用通斷控制的方案，就不存在這個(gè)題目。

二極管D1至D8對輸進(jìn)交流電壓進(jìn)行全波整流。電阻器R1～R4是用來(lái)限制剛接通電網(wǎng)時(shí)出現的大電流。電容器C5～C8對整流后的交流電壓進(jìn)行濾波。為了讓直流母線(xiàn)電壓能夠達到820VDC，額定電壓為450V的電容器C5、C7和 C6、 C8分別串聯(lián)起來(lái)，并分別與平衡電阻器R13～R16并聯(lián)，以便將電壓均衡地加在這些電容器上。電容器C5/C7 和C6/C8與電感器L1一起構成p型濾波器，目的是降低電磁干擾。電容器C9放在非�？拷黆1和變壓器T1的地方，為開(kāi)關(guān)感應的噪聲電流提供一條通路，以便減少差模電磁干擾。除了用這個(gè)辦法降低電磁干擾，還使用了以下措施：一、讓U1的開(kāi)關(guān)頻率產(chǎn)生抖動(dòng)；二、在變壓器中使用E-ShieldTM繞組；三、在變壓器互隔離的兩個(gè)繞組之間跨接一個(gè)達到Y級的安全電容器C1。這四個(gè)措施加在一起，可以很輕易把傳導性電磁干擾限制在EN55022-B標準規定的范圍之內。

很高的直流電壓加在變壓器的源邊繞組一端，源邊繞組的另一端由MOSFET Q1控制。Q1和LNK304P內部的MOSFET是串接的。當U1內部的MOSFET導通時(shí)，把Q1的源極電壓拉到低電平，使Q1導通。穩壓二極管VR4則限制了Q1上的柵至源電壓。當關(guān)斷時(shí)，VR1、VR2和VR3（這三個(gè)器件接成串聯(lián)）構成一個(gè)450V箝位電路，確保U1的漏極電壓保持在450V左右。當輸進(jìn)電壓高于450V時(shí)，超過(guò)450V的那部分電壓便加在Q1上。用這個(gè)辦法可把反激電壓和直流母線(xiàn)電壓分配在Q1和U1內部的MOSFET上。電阻器R9限制了高頻鈴振電壓─當VR1、VR2和VR3導通時(shí)會(huì )出現鈴振電壓。在反激期間，由VR5、D9和R10組成的箝位電路限制了在Q1和U1上出現的峰值電壓（這是由于漏電感引起的）。

變壓器T1副邊繞組上的電路起整流、濾波及反饋作用。二極管D10對變壓器副邊繞組的電壓進(jìn)行整流。電容器C2對整流后的輸出進(jìn)行濾波。電感器L2和電容器C3是第二級濾波器，能夠減少輸出中的高頻開(kāi)關(guān)紋波。當輸出電壓超過(guò)VR6和U2中光耦合器二極管上的總電壓降時(shí)，穩壓二極管VR6導通。輸出電壓的變化會(huì )引起流過(guò)光耦合器中二極管的電流產(chǎn)生變化。反過(guò)來(lái)，這又會(huì )引起U2里面的晶體管上流過(guò)的電流增大。

當這個(gè)電流超過(guò)FB管腳的閾值電流時(shí)，將產(chǎn)生一個(gè)開(kāi)關(guān)周期堵塞。調節開(kāi)關(guān)周期受到堵塞的數目和產(chǎn)生的數目，即可實(shí)現輸出電壓的穩壓。假如產(chǎn)生了基于U1的一個(gè)開(kāi)關(guān)周期，電流便上升到U1內部設定的電流極限值。在負載產(chǎn)生瞬變時(shí)，電阻器R11限制了光耦合器的電流，并且設定反饋回路的增益。電阻器R12則為穩壓二極管VR6提供偏置電壓。

假如FB管腳有50ms的時(shí)間沒(méi)有拉到高電平，U1內部的功率MOSFET開(kāi)關(guān)將堵塞800ms。開(kāi)關(guān)交替地堵塞和導通，可以在出現輸出過(guò)載、輸出短路或者反饋回路開(kāi)路時(shí)，起到保護作用。

在變壓器上不需要輔助繞組為U1供電，由于它本身是由漏極管腳供電的。在啟動(dòng)和內部MOSFET關(guān)斷時(shí)，往耦電容器C4由內部的高電壓電流源進(jìn)行充電。

電路的測試結果

圖2為用示波器觀(guān)察到的波形，是在輸進(jìn)電壓為312VAC（直流母線(xiàn)電壓為440VDC）時(shí)得到的。在關(guān)斷時(shí)，U1的漏極電壓（波形2）箝位在450V，這是VR1、VR2和VR3上的總電壓。箝位作用可以保證U1安全工作。第一個(gè)波形是Q1漏極相對源邊繞組（電容器C8的負極）的電壓。當MOSFET Q1關(guān)斷時(shí)，在它上面的實(shí)際電壓（波形1）是兩個(gè)波形的差值，為170V。

圖2 U1和Q1的漏極電壓波形

隨著(zhù)輸進(jìn)交流電壓上升到580VAC（820VDC），在Q1關(guān)斷時(shí)，其上的電壓不到550V。于是外接MOSFET可以使用本錢(qián)不高、額定電壓為600～800V的器件。

這個(gè)設計的效率特性曲線(xiàn)如圖3所示。這條曲線(xiàn)說(shuō)明在輸進(jìn)電壓較高時(shí)，效率下降是由于串聯(lián)的功率級（Q1和U1內部的MOSFET晶體管）中的開(kāi)關(guān)損耗和導通損耗增大造成的。不過(guò)，其效率仍然高于使用線(xiàn)性變壓器設計的電源。

圖3 效率隨輸進(jìn)電壓的變化

這個(gè)電路達到對傳導性電磁干擾的要求。如圖4所示，在輸進(jìn)電壓為230VAC的情況進(jìn)行測試時(shí)，有相當大的富裕。上面的藍色曲線(xiàn)和紅色曲線(xiàn)分別是EN55022 B標準規定的電磁干擾峰值極限值和均勻極限值，下面的曲線(xiàn)則是相應的峰值和均勻值測試結果。

圖4 在230V時(shí)的傳導性電磁干擾

結論

對于產(chǎn)業(yè)應用系統中的輔助電源，StackFET 技術(shù)是一個(gè)經(jīng)濟有效的辦法。在使用三相交流輸進(jìn)電壓時(shí)，輸進(jìn)電壓很高，設計職員可以運用這項技術(shù)，在設計中納進(jìn)開(kāi)關(guān)集成電路，從而簡(jiǎn)化設計。