5 kW 弧电源的设计与仿真
介绍了开关电源的优点和大功率弧电源的结构,给出了以SG3525 为控制核心的弧电源的设计方法。该电源主电路采用全桥式逆变电路, 应用平均电流模式控制的PWM调制技术实现电流的稳定输出。并应用OrCAD15.7 仿真工具对主电路和控制电路建模并进行闭环仿真,得到了与设计要求相符合的实验结果,通过对仿真结果的分析验证了设计方案的可行性。试验表明, 该弧电源具有良好的性能。
随着电力电子技术的高速发展,电力电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切, 而电子设备都离不开可靠的电源, 其性能关系到整个系统能否安全可靠地工作, 因此电子设备对电源的要求日趋增高。开关电源是利用现代电力电子技术,控制开关晶体管开通和关断的时间比率,维持稳定输出电压的一种电源, 开关电源一般由脉冲宽度调制( PWM) 控制功率开关器件构成,具有功率转换效率高、稳压范围宽、功率密度比大、体积小、重量轻、成本低、可靠性和稳定性较好等优点。逆变式弧电源是一种新型弧电源,由主电路、控制电路两部分组成。其中主电路由整流环节、滤波环节、逆变环节、变压整流滤波环节等部分组成, 直接为电弧负载提供电功率。本电源的设计要求为输出空载电压65 V , 额定电流150 A ,频率100 Hz ,额定功率5 kW，纹波电流为输出电流I0 的3％。
1、弧电源的主回路设计
1.1、主回路的结构
主电路结构图如图1 所示。
图1 电源主电路原理图
整流部分采用单相全波整流模块, C1 是工频滤波电容, 滤波后的直流电送入全桥式逆变电路的输入端。逆变电路的开关管选用IRF 公司的功率MOSFET, 每个桥臂上下部分都由三个MOSFET 并联。在开关电源中使用全桥型逆变电路主要有以下突出优点：变压器双向励磁，容易达到大功率。全桥型逆变电路的功率范围：几百瓦～几百千瓦。但其主要缺点：结构复杂，成本高，可靠性低，需要复杂的多组隔离驱动电路，有直通和偏磁问题。由于MOSFET 的导通电阻程正温度系数特性，本身具有并联均流特性，在输出功率一定的情况下，采用多个MOSFET 并联可以使单管承受的导通电流减小，单个管耗减小，提高开关电源的稳定性。驱动电路驱动两个前后桥臂上下的MOSFET 同时导通, 将输入电压交错叠加到高频变压器的初级, 并且可以使用改变占空比的方法调整输出电压。高频变压器的输出经二极管和电抗器进行整流、滤波,输出稳定的直流。
1.2、开关管的选择
本设计中全桥变换器的四个桥臂采用MOSEFT 管，每个桥臂上下部分由三个MOSEFT管并联。工频电源经单相整流滤波后的直流母线电压最大值为341 V，由于电路工作在全桥变换器的状态下，功率开关管的电压一般取高于母线电压的两倍，本文MOSEFT 的额定电压可选为500V。输出滤波电感的电流最大值为150 A,那么变压器的原边电流最大为150/K=30 A (K 取值为5)，原边电流的最大值同样是开关管中流过的最大电流，由于每个桥臂上下部分由三个MOSEFT 管并联，所以每个MOSFET 流过的最大电流为10 A,取2 倍的裕量， 就取额定电流大于20 A 的MOSEFT 管。综合考虑电压和电流，MOSEFT 管选择IRFP460。
1.3、输出整流滤波电路
由于在本设计中输出采用三个型号和绕制工艺相同的变压器通过三个电容耦合后并行输出，其电路图如图2 所示（每个整流二极管上的缓冲电路未画出）。由于额定功率为5kW，每个变压器承受的功率为1667 W，单个变压器输出的电流为50 A, 减小了单个变压器线径和体积，将三个变压器并排在输出整流电路板的中央，使整个电源结构设计合理，体积被压缩。
由于输出整流采用的全波整流，由图2 可知，二极管D1、D3 和L1 构成一组全波整流滤波电路，二极管D2、D4 和L2 构成一组全波整流滤波电路，总共6 组全波整流电路。由于6 组全波整流电路并行运行，所以降低了单个整流二极管的电流裕量，提高开关电源的稳定性，同时也降低了成本。
图2 输出整流电路图
2、SG3525 的应用电路及工作原理
SG3525 是一款功能齐全、通用性强的单片集成PWM芯片。它采用恒频脉宽调制控制方案,适合于各种开关电源、斩波器的控制。其主要功能包括基准电压产生电路、振荡器、误差放大器、PWM 比较器、欠压锁定电路、软启动控制电路、推拉输出形式。该芯片与其它同类型的芯片相比具有许多突出的特点。
利用SG3525 建立的大功率直流开关电源的反馈控制电路如图3 所示, 下面主要介绍平均电流模式PWM控制模块。本设计采用双环控制，它包括两个负反馈控制环：内环是电流环，外环是电压环。
图3 控制电路图
如图3 所示，端口1（input1)、端口2（input2)和端口3（input3)均为反馈输入端，端口1 接弧电源输出的地线端，端口2 接弧电源输出高电压端，端口3 接电流取样电阻，所以V1 是弧电源输出端的电压反馈信号，V2 是电感电流取样反馈信号。所以有V1 到V3 之间的电路为电压负反馈环，V2 到V4 之间的电路为电流负反馈环。由于本设计中弧电源为降压型设计，输出空载电压为65 V，在带负载时，输出电压会更小，只要将R13和R14 参数取够裕量，所以不用隔离反馈，电路依然可靠，同时也提高了反馈速度。V1 和V2 的极性都为负(即V1=- Vout，V2=- I0×R，Vout 为电源输出电压，I0 为输出电流，R 为取样电阻阻值）。由于SG3525 的误差放大器的1 脚接地，2 脚接16 脚，由于16 脚为内部参考电压5.1 V 输出端，所以误差放大器工作在开环放大状态，其输出端9 脚在不接任何电路时，其电压为5.1V；又因三极管Q1 的集电极接在9 脚上，所以9 脚的电位将受到Q1 集电极电位的推拉。
