介紹了開關(guān)電源的優(yōu)點(diǎn)和大功率弧電源的結(jié)構(gòu),給出了以SG3525 為控制核心的弧電源的設(shè)計(jì)方法。該電源主電路采用全橋式逆變電路, 應(yīng)用平均電流模式控制的PWM調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)電流的穩(wěn)定輸出。并應(yīng)用OrCAD15.7 仿真工具對主電路和控制電路建模并進(jìn)行閉環(huán)仿真,得到了與設(shè)計(jì)要求相符合的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,通過對仿真結(jié)果的分析驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的可行性。試驗(yàn)表明, 該弧電源具有良好的性能。

　　隨著電力電子技術(shù)的高速發(fā)展,電力電子設(shè)備與人們的工作、生活的關(guān)系日益密切, 而電子設(shè)備都離不開可靠的電源, 其性能關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)能否安全可靠地工作, 因此電子設(shè)備對電源的要求日趨增高。開關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù),控制開關(guān)晶體管開通和關(guān)斷的時(shí)間比率,維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源, 開關(guān)電源一般由脈沖寬度調(diào)制( PWM) 控制功率開關(guān)器件構(gòu)成,具有功率轉(zhuǎn)換效率高、穩(wěn)壓范圍寬、功率密度比大、體積小、重量輕、成本低、可靠性和穩(wěn)定性較好等優(yōu)點(diǎn)。逆變式弧電源是一種新型弧電源,由主電路、控制電路兩部分組成。其中主電路由整流環(huán)節(jié)、濾波環(huán)節(jié)、逆變環(huán)節(jié)、變壓整流濾波環(huán)節(jié)等部分組成, 直接為電弧負(fù)載提供電功率。本電源的設(shè)計(jì)要求為輸出空載電壓65 V , 額定電流150 A ,頻率100 Hz ,額定功率5 kW，紋波電流為輸出電流I0 的3％。

1、弧電源的主回路設(shè)計(jì)

1.1、主回路的結(jié)構(gòu)

　　主電路結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

圖1 電源主電路原理圖

　　整流部分采用單相全波整流模塊, C1 是工頻濾波電容, 濾波后的直流電送入全橋式逆變電路的輸入端。逆變電路的開關(guān)管選用IRF 公司的功率MOSFET, 每個(gè)橋臂上下部分都由三個(gè)MOSFET 并聯(lián)。在開關(guān)電源中使用全橋型逆變電路主要有以下突出優(yōu)點(diǎn)：變壓器雙向勵磁，容易達(dá)到大功率。全橋型逆變電路的功率范圍：幾百瓦～幾百千瓦。但其主要缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，可靠性低，需要復(fù)雜的多組隔離驅(qū)動電路，有直通和偏磁問題。由于MOSFET 的導(dǎo)通電阻程正溫度系數(shù)特性，本身具有并聯(lián)均流特性，在輸出功率一定的情況下，采用多個(gè)MOSFET 并聯(lián)可以使單管承受的導(dǎo)通電流減小，單個(gè)管耗減小，提高開關(guān)電源的穩(wěn)定性。驅(qū)動電路驅(qū)動兩個(gè)前后橋臂上下的MOSFET 同時(shí)導(dǎo)通, 將輸入電壓交錯(cuò)疊加到高頻變壓器的初級, 并且可以使用改變占空比的方法調(diào)整輸出電壓。高頻變壓器的輸出經(jīng)二極管和電抗器進(jìn)行整流、濾波,輸出穩(wěn)定的直流。

1.2、開關(guān)管的選擇

　　本設(shè)計(jì)中全橋變換器的四個(gè)橋臂采用MOSEFT 管，每個(gè)橋臂上下部分由三個(gè)MOSEFT管并聯(lián)。工頻電源經(jīng)單相整流濾波后的直流母線電壓最大值為341 V，由于電路工作在全橋變換器的狀態(tài)下，功率開關(guān)管的電壓一般取高于母線電壓的兩倍，本文MOSEFT 的額定電壓可選為500V。輸出濾波電感的電流最大值為150 A,那么變壓器的原邊電流最大為150/K=30 A (K 取值為5)，原邊電流的最大值同樣是開關(guān)管中流過的最大電流，由于每個(gè)橋臂上下部分由三個(gè)MOSEFT 管并聯(lián)，所以每個(gè)MOSFET 流過的最大電流為10 A,取2 倍的裕量， 就取額定電流大于20 A 的MOSEFT 管。綜合考慮電壓和電流，MOSEFT 管選擇IRFP460。

1.3、輸出整流濾波電路

　　由于在本設(shè)計(jì)中輸出采用三個(gè)型號和繞制工藝相同的變壓器通過三個(gè)電容耦合后并行輸出，其電路圖如圖2 所示（每個(gè)整流二極管上的緩沖電路未畫出）。由于額定功率為5kW，每個(gè)變壓器承受的功率為1667 W，單個(gè)變壓器輸出的電流為50 A, 減小了單個(gè)變壓器線徑和體積，將三個(gè)變壓器并排在輸出整流電路板的中央，使整個(gè)電源結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，體積被壓縮。

　　由于輸出整流采用的全波整流，由圖2 可知，二極管D1、D3 和L1 構(gòu)成一組全波整流濾波電路，二極管D2、D4 和L2 構(gòu)成一組全波整流濾波電路，總共6 組全波整流電路。由于6 組全波整流電路并行運(yùn)行，所以降低了單個(gè)整流二極管的電流裕量，提高開關(guān)電源的穩(wěn)定性，同時(shí)也降低了成本。

圖2 輸出整流電路圖

2、SG3525 的應(yīng)用電路及工作原理

　　SG3525 是一款功能齊全、通用性強(qiáng)的單片集成PWM芯片。它采用恒頻脈寬調(diào)制控制方案,適合于各種開關(guān)電源、斬波器的控制。其主要功能包括基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路、振蕩器、誤差放大器、PWM 比較器、欠壓鎖定電路、軟啟動控制電路、推拉輸出形式。該芯片與其它同類型的芯片相比具有許多突出的特點(diǎn)。

　　利用SG3525 建立的大功率直流開關(guān)電源的反饋控制電路如圖3 所示, 下面主要介紹平均電流模式PWM控制模塊。本設(shè)計(jì)采用雙環(huán)控制，它包括兩個(gè)負(fù)反饋控制環(huán)：內(nèi)環(huán)是電流環(huán)，外環(huán)是電壓環(huán)。

圖3 控制電路圖

　　如圖3 所示，端口1（input1)、端口2（input2)和端口3（input3)均為反饋輸入端，端口1 接弧電源輸出的地線端，端口2 接弧電源輸出高電壓端，端口3 接電流取樣電阻，所以V1 是弧電源輸出端的電壓反饋信號，V2 是電感電流取樣反饋信號。所以有V1 到V3 之間的電路為電壓負(fù)反饋環(huán)，V2 到V4 之間的電路為電流負(fù)反饋環(huán)。由于本設(shè)計(jì)中弧電源為降壓型設(shè)計(jì)，輸出空載電壓為65 V，在帶負(fù)載時(shí)，輸出電壓會更小，只要將R13和R14 參數(shù)取夠裕量，所以不用隔離反饋，電路依然可靠，同時(shí)也提高了反饋速度。V1 和V2 的極性都為負(fù)(即V1=- Vout，V2=- I0×R，Vout 為電源輸出電壓，I0 為輸出電流，R 為取樣電阻阻值）。由于SG3525 的誤差放大器的1 腳接地，2 腳接16 腳，由于16 腳為內(nèi)部參考電壓5.1 V 輸出端，所以誤差放大器工作在開環(huán)放大狀態(tài)，其輸出端9 腳在不接任何電路時(shí)，其電壓為5.1V；又因三極管Q1 的集電極接在9 腳上，所以9 腳的電位將受到Q1 集電極電位的推拉。