專利名稱：采用mosfet的高效大功率開關(guān)電源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種采用MOSFET作為功率開關(guān)元件的大功率PWM型開關(guān)電源。
工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國防建設(shè)、國民經(jīng)濟(jì)各部門及人民生活各領(lǐng)域都廣泛應(yīng)用各種類型的電子裝備和設(shè)備，凡是用電子設(shè)備的地方幾乎都需要直流穩(wěn)壓電源。尤其在電站、冶金、礦山等各類工業(yè)控制系統(tǒng)、電子計算機(jī)、通訊設(shè)備中得到大量應(yīng)用。目前，穩(wěn)壓電源大致有以下幾種類型第一種，晶體管串聯(lián)線性調(diào)整型穩(wěn)壓電源，由于其電路簡單，使用元器件少，工作可靠，技術(shù)性能優(yōu)良，成為直流穩(wěn)壓電源的中心。但根本弱點是功率晶體管串聯(lián)在負(fù)載回路里，而且工作在線性區(qū)域，輸出電壓的調(diào)節(jié)與穩(wěn)定借助于功率晶體管上的電壓降落的調(diào)整來實現(xiàn)，對于輸出低電壓大電流的場合，效率非常低，僅有25％左右。由于功率晶體管的發(fā)熱和散熱問題，導(dǎo)致電源體積較大。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步，電子設(shè)備從分立元件進(jìn)入集成電路時代，體積日益減小，裝機(jī)密度不斷提高，規(guī)模容量逐漸增大，常規(guī)電源由于單臺容量小，必須多臺使用，可靠性隨之下降，占機(jī)體積大，已不能適應(yīng)技術(shù)發(fā)展需要。
第二種，串聯(lián)型開關(guān)穩(wěn)壓電源。由于功率開關(guān)元件工作在開關(guān)狀態(tài)，損耗小，效率高，體積重量較之常規(guī)電源有所改善。串聯(lián)開關(guān)調(diào)整型電源由于功率晶體管仍串聯(lián)在負(fù)載回路里，并仍使用工頻變壓器，從而限制了輸出電流的增加和體積重量的根本縮減，效率仍不高，一般40％～50％左右。
第三種，脈寬調(diào)制(PWM)型穩(wěn)壓電源，也稱為“無電源變壓器開關(guān)穩(wěn)壓電源”。這種新穎電源具有體積小，重量輕，效率高(達(dá)70％～80％)，可靠性高，輸出保持時間長，便于實現(xiàn)計算機(jī)信息保護(hù)等與集成電路型電子設(shè)備要求相適應(yīng)的優(yōu)點。已成為當(dāng)今穩(wěn)壓電源的主流。
我國于70年代末開始PWM型電源的研制，由于元器件性能較差，始終停留在小功率、分立元件電路階段，未能實用化。直到近年，單片開關(guān)電源集成控制器、高電壓大功率晶體開關(guān)管和大功率肖特基勢壘二極管相繼問世，才使大功率PWM型電源開始走向?qū)嵱没?br> 本發(fā)明的目的是設(shè)計一種高效率、高功率密度的大功率開關(guān)電源，具有高電壓穩(wěn)定度、負(fù)載穩(wěn)定度及完善的保護(hù)功能。
本發(fā)明是一種采用MOSFET作為功率開關(guān)，全橋電路作為功率變換器、PWM型大功率開關(guān)電源。由以下部分組成電網(wǎng)噪聲濾波器、工頻整流濾波、功率變換器、高頻整流濾波、輸出整定、PWM控制器、過流過壓保護(hù)、風(fēng)冷系統(tǒng)、控制電源、檢測網(wǎng)絡(luò)、輸出整定、軟啟動單元(見

圖1)。
系統(tǒng)連接方式是輸入220V工頻交流電壓經(jīng)電網(wǎng)噪聲濾波器后分別接至工頻整流濾波、控制電源及風(fēng)冷系統(tǒng)。工頻整流濾波單元輸出約300V直流高壓加至功率變換器。功率變換的輸出經(jīng)高頻整流濾波后，直接輸出直流穩(wěn)定電壓。檢測網(wǎng)絡(luò)接受輸出電壓V6及功率變換器來的信號，處理后送至保護(hù)單元及PWM控制器。保護(hù)單元輸出送至PWM控制器。軟啟動線路與工頻整流濾波及PWM控制器連接。輸出整定及控制電源均與PWM控制器連接。
本發(fā)明原理如下電網(wǎng)噪聲濾波器去除外界進(jìn)入的干擾及噪聲，同時也防止開關(guān)電源的高頻干擾回饋入電網(wǎng)，影響其它設(shè)備。
圖2為工頻整流濾波電路。輸出300V直流高壓至功率變換器。由于工頻濾波電容C1的存在，當(dāng)輸入交流電壓接通時會產(chǎn)生很大的合閘浪涌電流，即電容充電電流。隨合閘瞬間交流電壓相位及輸入濾波回路內(nèi)阻的不同，浪涌電流可能達(dá)幾百安。為避免由此引起的電源內(nèi)部元器件受損及對外界的干擾，本電源在主回路中串入限流電阻R1來抑制浪涌電流。為減小系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)工作后電阻R1上的功率損耗，在電容C1充滿電后，用晶閘管S1短接在電阻R1兩端。S1的柵控信號來自主變壓器T1的專用繞組。合閘時PWM芯片IC1的軟啟動電容C19充電，延緩了主變壓器T1起振時間，待T1起振后，副邊發(fā)出柵控信號將晶閘管S1導(dǎo)通，從而短接電阻R1，完成輸入電壓軟啟動。
輸出電壓軟啟動類似于輸入電壓軟啟動。由于大功率穩(wěn)壓電源，尤其是低壓大電流輸出的電源，其輸出濾波電容容量很大，輸出電壓如突然建立，必然造成非常大的電容充電電流。對輸出整流管及高壓開關(guān)管都會造成巨大沖擊，以致于損壞。本發(fā)明在IC1的8腳對地加了C19電容，使PWM芯片輸出的控制脈沖寬度從零逐漸加大，從而使輸出電壓緩慢建立。
國內(nèi)生產(chǎn)的大功率穩(wěn)壓電源，絕大多數(shù)采用大功率晶體管作為功率變換元件。由于晶體管是電流控制型元件，難以適應(yīng)高頻、大功率的要求。近年來，電壓控制型的功率場控器件因其工作頻率高、開關(guān)速度快、控制效率高等優(yōu)點而迅速崛起。本發(fā)明采用MOSFET作為功率開關(guān)元件，對于提高電源的性能起了關(guān)鍵作用。功率變換器由4只MOSFET接成全橋電路(見圖3)。將直流300V高壓逆變成25～50KHz的高頻高壓交變脈沖波，經(jīng)過變壓器T1轉(zhuǎn)換為高頻低壓交變脈沖波。通過D13、D14整流管全波整流，L電感與C5電容組成LC濾波器，把高頻脈動波濾為直流波輸出。為保護(hù)MOSFET，在源漏極間要并聯(lián)箝位二極管D5～D8，以便把高頻變壓器T1漏感的儲能，回饋輸入電源。同時MOSFET漏極應(yīng)串聯(lián)二極管D9～D12，以阻止反向電流流入MOSFET，造成破壞。D13與D14整流管應(yīng)采用肖特基二極管或超快恢復(fù)二極管，以降低功率損耗及減小整流管反向時的瞬時短路造成對功率開關(guān)管的沖擊電流。
PWM控制器采用3525集成開關(guān)控制器，接法如下輸出電壓Vo反饋端通過R14、R20、R22網(wǎng)絡(luò)接PWM片反相輸入端1腳。輸出電壓整定電位器W1通過R21、R15、R23、C13網(wǎng)絡(luò)接PWM片參考電源16腳與同相輸入端2腳。控制電源Vc接至15腳。PWM芯片輸出脈寬可調(diào)的交變脈沖波。輸出端11、14腳接驅(qū)動變壓器T2，T2副繞組可直接驅(qū)動MOSFET。保護(hù)單元輸出信號Vp接10腳。5腳、6腳通過R16、C16接地，供調(diào)節(jié)振蕩源頻率用。5、7腳之間接R17，用于調(diào)整脈沖波死區(qū)大小。電路見圖4。
過流保護(hù)電路見圖5。主變壓器T1原邊的電流經(jīng)互感器T3變換為電壓信號，經(jīng)D22、D23、C23整流濾波后與穩(wěn)壓管D21的電壓值比較。電位器W3用來整定過流保護(hù)閾值，輸出信號經(jīng)隔離二極管D20直接加至PWM芯片10腳。當(dāng)負(fù)載或變壓器T1原邊或高壓開關(guān)管M1～M4發(fā)生過流故障時，Vp值超過0.7V后，PWM芯片會立即調(diào)整輸出脈沖寬度，使脈寬減少，達(dá)到限流保護(hù)目的。如短路事故發(fā)生，Vp立即輸出大電壓，PWM芯片會在200ns.內(nèi)迅速關(guān)閉，輸出電壓降為0，實現(xiàn)短路保護(hù)。
過壓保護(hù)電路見圖6。輸出電壓Vo經(jīng)過壓保護(hù)整定電位器W2調(diào)整后，與MOS管J2的開啟電壓比較。達(dá)到開啟電壓后，J2導(dǎo)通。J1晶體管截止并輸出高電平信號，經(jīng)過隔離二極管D18，送至PWM芯片關(guān)閉脈沖源，使系統(tǒng)輸出電壓降為0。過壓保護(hù)閾值由用戶調(diào)整W2來任意整定。
負(fù)載變化時，輸出電壓Vo隨著變化，當(dāng)其大于或小于整定值時，誤差信號經(jīng)PWM芯片轉(zhuǎn)變?yōu)槊}沖寬度減小或增大的變化；該脈寬可變的控制信號經(jīng)功率開關(guān)M1～M4轉(zhuǎn)變?yōu)槊}寬減小或增大變化的高壓大功率交變脈沖波；經(jīng)高頻變壓器T1轉(zhuǎn)變?yōu)槊}寬減小或增大變化的低壓大功率交變脈沖波；整流濾波后輸出的直流電壓幅度將減小或增大。由此形成一個閉環(huán)負(fù)反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)，實現(xiàn)穩(wěn)壓功能。調(diào)整閉環(huán)放大倍數(shù)，即可實現(xiàn)預(yù)定的電壓穩(wěn)定度及負(fù)載穩(wěn)定度。
本發(fā)明優(yōu)點如下1.采用新型元器件。電力電子技術(shù)的發(fā)展趨勢是功率場控器件逐步取代雙極型器件。MOSFET由于開關(guān)速度快、控制效率高、易于并聯(lián)實現(xiàn)大功率等特點，明顯優(yōu)于大功率晶體管。高頻變壓器鐵芯也是一關(guān)鍵元件，本發(fā)明采用了非晶態(tài)磁芯，比傳統(tǒng)的鐵氧體磁芯體積小、效率高、飽和磁密高、高頻損耗小，性能優(yōu)越得多。
2.高性能電路設(shè)計，完善的保護(hù)功能。
3.由于以上措施，系統(tǒng)效率高達(dá)85％以上，節(jié)能效果顯著。
4.由于省去笨重的工頻變壓器，電源的體積小、重量輕、功率密度高。本發(fā)明功率密度達(dá)83瓦／立方分米，電壓穩(wěn)定度≤5‰，負(fù)載穩(wěn)定度≤8‰，效率≥85％。需擴(kuò)展功率時，可用MOSFET并聯(lián)運(yùn)行，系統(tǒng)功率可做到1～2KW以上。
權(quán)利要求1.一種采用MOSFET作為功率開關(guān)的大功率開關(guān)電源，系統(tǒng)由電網(wǎng)噪聲濾波器、工頻整流濾波、功率變換器、高頻整流濾波、PWM控制器、過流過壓保護(hù)、風(fēng)冷系統(tǒng)、控制電源、軟啟動、輸出整定、檢測網(wǎng)絡(luò)組成，其特征在于功率變換器由功率開關(guān)元件MOSFET與高頻變壓器構(gòu)成逆變電路，將直流電壓逆變成脈寬可調(diào)的交變脈沖，高頻變壓器變換此脈沖波的幅度，經(jīng)整流濾波輸出直流電壓，輸出直流電壓經(jīng)檢測網(wǎng)絡(luò)負(fù)反饋加至PWM控制器芯片的反相輸入端，與加在同相輸入端的整定電壓進(jìn)行比較，誤差信號由PWM芯片變換為脈寬變化的控制信號，經(jīng)功率變換器轉(zhuǎn)變?yōu)槊}寬可變的大功率交變脈沖電壓，整流濾波后變?yōu)榉茸兓妮敵鲋绷麟妷?，形成閉環(huán)負(fù)反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述大功率開關(guān)電源，其特征在于功率開關(guān)元件采用MOSFET。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述大功率開關(guān)電源，其特征在于PWM控制器采用集成開關(guān)控制器。
專利摘要本實用新型屬于一種采用MOSFET作為功率開關(guān)元件的大功率PWM型直流開關(guān)穩(wěn)壓電源。由電網(wǎng)噪聲濾波器、工頻整流濾波、功率變換器、高頻整流濾波、PWM控制器、過流過壓保護(hù)、風(fēng)冷系統(tǒng)、控制電源、軟啟動、輸出整定、檢測網(wǎng)絡(luò)等單元組成。當(dāng)輸出電壓大于或小于整定值變化時，誤差信號經(jīng)PWM控制器轉(zhuǎn)變?yōu)閷挾葴p小或增大變化的脈沖。該脈寬可變的控制信號經(jīng)功率變換器后輸出幅度隨之減小或增大的直流電壓。由此形成一個閉環(huán)負(fù)反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)，實現(xiàn)穩(wěn)壓功能。本裝置系統(tǒng)效率高達(dá)85％以上，裝置體積小，功率密度大。
文檔編號G05F1/569GK2096775SQ91216268
公開日1992年2月19日 申請日期1991年6月19日 優(yōu)先權(quán)日1991年6月19日
發(fā)明者王自強(qiáng), 吳京翔, 吳金龍 申請人:機(jī)電部北京電工綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究所