一款高效式的设计以及性能测试
本文设计并制作了一种高效低电磁污染的样机。测试结果表明,该具有优良的动态性能、较高的功率因数和工作效率,且控制简单,故具有一定的实际应用价值。
设计方案
的结构如图1所示,它主要由220V交流电压整流及滤波电路、功率因数校正电路、DC/DC变换器三大部分组成。
220V交流电经整流供给功率因数校正电路,采用Boost型PFC来提高的输入功率因数,同时降低了谐波电流,从而减小了谐波污染。PFC的为一电压UC,通过DC/DC变换可将该电压变换成所要求的两电压Uo1(12V)和Uo2(24V)。
从图中可以看出,本系统设计的关键是在整流滤波器和DC/DC变换器之间加入了功率因数校正电路,使输入电流受输入电压严格控制,以实现更高的功率因数。同时设计中还采用同步整流技术以减少整流损耗,提高DC/DC变换效率。选用式准谐振DC/DC变换器,既能增强对输入电压变化的适应能力,又可以降低工作损耗。
为保证的性能,实际制作时还附加了一些电路:(1)保护电路。防止负载本身的过压、过流或短路;(2)软启动控制电路。它能保证稳定、可靠且有序地工作,防止启动时电压电流过冲;(3)浪涌吸收电路。防止因浪涌电压电流而引起纹波峰-峰值过高及辐射和高次谐波的产生。
主要器件选择
1、APFC芯片及控制方案
中功率因数校正电路以Infineon(英飞凌)公司生产的TDA4863芯片为核心,电路如图2所示。管VT1选用增强型MOSFET。具体控制方案为:从负载侧A点反馈取样,引入双闭环电压串联负反馈,以稳定DC/DC变换器的输入电压和整个系统的电压。
2、准谐振DC/DC变换器
DC/DC变换器的类型有多种[7],为了保证用电安全,本设计方案选为式。式DC/DC变换形式又可进一步细分为正激式、式、半桥式、全桥式和推挽式等。其中,半桥式、全桥式和推挽式通常用于大功率场合,其激励电路复杂,实现起来较困难;而正激式和式电路则简单易行,但由于式比正激式更适应输入电压有变化的情况,且本系统中PFC电压会发生较大的变化,故本设计中的 UC/UO变换采用方式,有利于确保电压稳定不变。
本设计采用ONSMEI(安森美)准谐振型PWM驱动芯片NCP1207,它始终保持在MOSFET漏极电压******时开通,改善了开通方式,减小了开通损耗。
图3是利用NCP1207芯片设计的DC/DC式变换器电路,其工作原理为:PFC电压UO,一路直接接和田变压器初级线圈L1,另一路经电阻R3 接到NCP1207高压端8脚,使电路起振,形成软启动电路;NCP1207的5脚驱动开通管VT,L1存储能量,当驱动关闭时,线圈L2和 L3释放能量,次级经整流滤波后供电给负载,辅助线圈释放能量,一部分经整流滤波供电给VCC,形成自举电路,另一部分经电阻R1和R2分压后送到 NCP1207的1脚,来判断VT软开通时刻;光耦P1反馈来自电压的信号,经电阻R7和电容C2组成积分电路滤波后送入NCP1207的2脚,以调节电压的稳定,此为电压反馈环节。电阻R6取样主电流信号,经串联电阻R5和电容C4组成积分电路滤波后送入NCP1207的3脚,此为电流反馈环节。
3、同步整流管
系统采用电流驱动同步整流技术,基本思路是通过使用低通态电阻的MOSFET代替DC/DC变换器侧的整流二极管工作,以最大限度地降低整流损耗,即通过检测流过自身的电流来获得MOSFET驱动信号,VT1在流过正向电流时导通,而当流过自身的电流为零时关断,使反相电流不能流过VT1,故MOSFET与整流二极管一样只能单向导通。
选择同步整流管主要是考虑管子的通态电流要大,通态电阻小,反向耐压足够大(应按24V时和田变压器次级变换反向电压计 算),且寄生二极管反向恢复时间要短。经对实际电路的分析计算,选用ONSEMI公司生产的 MTY100N10E的MOSFET管,其耐压100V,通态电流为100A,通态电阻为11MΩ,反向恢复时间为145ns,开通延迟时间和关断延迟时间分别为48ns和186ns,能满足系统工作要求。
降耗及降电磁污染的手段
1、降耗措施
(1)利用TDA4863芯片优越性能
TDA4863 的性能特点是:当输入电压较高时,片内APFC电路从电网中吸取较多的功率;反之,当输入电压较低时则吸收较少的功率,这就抑制了产生谐波电流,使功率因数接近单位功率因数;片内还包含有源滤波电路,能滤除因电压脉动而产生的谐波电流;芯片的微电流工作条件也降低了元器件的损耗。
(2)电压电流双闭环反馈
因整机系统形成双闭环系统,DC/DC变换器稳定电压时既增大了输入电阻又减小电阻,达到了闭环控制的目的。变换器在较大功率时呈现同步整流方式,较小功率时管、整流管均为零电压开通,同步整流或零电压开通都极大地降低了管耗。
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