武政 劉建瓴 李華芳 劉蓉

1 引言

在PWM開關電源的拓撲中，半橋電路具有以下優(yōu)點：變壓器雙向勵磁，無變壓器偏磁問題，磁芯利用率較高；具有較強的抗不平衡能力，能夠有效地防止變壓器在高頻下的單向偏磁；開關管承受壓降僅有輸入電壓的一半，而且由于變壓器尖峰電壓被開關管反并二極管鉗位，開關管兩端電壓不會超過輸入電壓的一半，所以對開關管的耐壓要求較低。所以在中小功率的變換器中，半橋電路應用相當廣泛。本文針對中小功率的實際應用情況，研發(fā)了基于 SG 3525和EXB 841為控制芯片的變換器，主要適用于對電流的動態(tài)響應要求較高、電流不大（小于300A）的場合。本變換器具備反應速度快、性能穩(wěn)定的優(yōu)點。

2 主要芯片

2.1 SG 3525

SG3525是SGS-Thomson公司生產(chǎn)的集成PWM控制器。它具有5.1V基準穩(wěn)壓電源；振蕩器的振蕩頻率由外接的電阻R5和電容C2決定；占空比為0%～100%，考慮到功率器件的關斷時間，最大占空比[1]通常為90%～95%。圖1為SG3525內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。

2.2 EXB 841

日本FU JI公司的EXB 841芯片具有單電源、正負偏壓、過流檢測、保護、軟關斷等主要特性，是比較典型的驅(qū)動電路，并且可以很好地配合使用 FUJI公司的 IGBT，可以使功率器件的性能較好地發(fā)揮，并對其有較好的保護。

圖1 SG3525內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

其工作最高頻率可達40kHz～50kHz。本變換器選用工作頻率為20kHz。圖2為EXB841內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。EXB841需外部提供一個+20V單電源，內(nèi)部產(chǎn)生一個-5V反偏壓，模塊采用高速光藕隔離，射極輸出。因此，其輸出控制波型非常理想。

圖2 EXB 841的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

3 電路設計

本文用SG 3525和EXB 841主要控制芯片設計一種三相輸入，最大28V、200A輸出的5000W半橋變換器。本變換器的技術要求如下：

輸入電壓：交流 380±10%V，50Hz；

輸出電壓：空載電壓 68V，負載狀態(tài)電壓范圍0V～28V；

輸出電流：最大輸出 200A；調(diào)節(jié)范圍：20A～200A；

輸出紋波：紋波系數(shù)不大于0.5%；

工作溫度：0℃～55℃。

3.1 主電路結(jié)構(gòu)圖

本變換器采用半橋拓撲，主電路結(jié)構(gòu)如下圖3所示[2]。其中輔助電源有6組電源輸出，分別給控制芯片SG 3525和EXB 841提供工作電壓，同時還為其他一些輔助芯片和顯示面板提供電源。

圖3 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

3.2 控制電路

對于本變換器，控制電路部分主要實現(xiàn)以下幾個功能：

① 輸出電流反饋

本變換器主要用于恒流輸出狀態(tài)，并要求具有較好的動態(tài)響應。采用如圖4所示的電流反饋電路。電流的反饋信號通過霍爾元件來獲取，并通過比例積分電路信號放大到控制芯片的調(diào)節(jié)范圍[3]。積分的運作可以使信號的變動平均化，同時降低非有效信號的影響。

本變換器的傳遞函數(shù)如下式所示：

圖4 主電路的反饋圖

將電路的各個參數(shù)帶入式（1）中，可以得到該傳遞函數(shù)。該傳遞函數(shù)用MATLAB仿真電路模型和波形如下，仿真電路模型如圖5所示。

階躍信號激勵時響應波形如圖 6所示。

圖5 仿真電路模型

信號上升時間約為逆變器主電路開關器件（本變換器為 IGBT）工作的一個周期，本變換器為20kHz，響應反應速度快，動態(tài)特性好，傳遞函數(shù)極點位于左半平面，電路性能穩(wěn)定。

② 輸出最大電流限制保護

CD 4053內(nèi)部含有 3組開關，每組開關的狀態(tài)由相應的控制端的狀態(tài)來決定。設計中，只使用了其中的一組電子開關。圖7為CD4053的外部接線圖，芯片CD4053的9腳為電子開關的控制端，9腳為高電平時，CD4053的5腳和4腳導通，輸出較低的電壓。當9腳為低電平時，CD4053的3腳和4腳導通，輸出較高的電壓。CD4053的4腳與控制電路的SG 3525的2腳相連接，可以控制輸出電流的大小。在設計中，將CD4053的3腳設定為最大電流限制保護端，當5腳的電壓高于3腳的電壓時，輸出控制端的電壓變低，從而限制了電路的電流輸出，起到了輸出最大電流限制的作用。

③ 軟啟動保護功能

軟啟動電路的功能是保護主電路的功率開關管和整流二極管免受開機時的大電流沖擊。在開機時，把誤差放大器運放輸出強置為低電平，使比較器不產(chǎn)生脈沖。當電壓穩(wěn)定后，內(nèi)部電流對外接軟啟動電容充電，到達一定值后，主要控制芯片輸出控制信號。一般地，變換器軟啟動時間必須大于延時時間。

主控芯片SG 3525的6腳（軟啟動保護功能）外接電阻和電容的延時電路的時間，至少大于2個以上的工作周期。

④ 溫度保護、驅(qū)動信號保護和過流保護

圖6 響應波形圖

圖7 CD4053外部接線圖

SG3525的10腳為芯片的控制端，在10腳可以外接保護電路，當監(jiān)測到非正常的信號時，10腳的電壓為高電壓，使得SG3525的11、14腳的頻率輸出為零，避免電路中其他元件的損壞。實際的電路中，使用的芯片為74LS10與非門電路，分別接溫度保護、驅(qū)動信號保護、反饋電流信號等三個保護，當其中任一個信號發(fā)生故障[4]，控制芯片SG 3525便無法輸出控制信號，避免發(fā)生較大的事故。

EXB841的 6腳通過快速恢復二極管 D2接至IGBT的C極[5]，檢測IGBT的集射之間的通態(tài)電壓降的高低來判斷IGBT的過流情況加以保護（圖8為EXB 841的外部接線圖）。

圖8 EXB 841的外部接線圖

4 實驗結(jié)果

實驗中研制了基于以上的設計原則和電路分析的樣機。通過嚴格的實驗測試，變換器的輸出達到要求。輸出空載電壓為69V，電流從 0A～200A可調(diào)，輸出電壓紋波處于要求之內(nèi)，在短路狀態(tài)下，電路的動態(tài)響應比較快。過壓保護，限流及過溫保護等功能也得以實現(xiàn)，并且通過了嚴格的拷機實驗。

但在小電流20A以下的短路狀態(tài)時，本變換器有較為刺耳的嘯叫聲。電流在增大時，沒有嘯叫聲。分析嘯叫聲是由于輸出電流小于20A，主控芯片SG3525的輸出為最小脈寬，此時逆變器主開關器件（IGBT）開通時間極短（處于器件的線性區(qū)域），變換器的主變壓器在高頻窄脈沖條件時，發(fā)出的嘯叫聲。

理想情況下或大電流輸出時，主控芯片 SG3525的輸出為寬脈沖，主要功率器件在放大區(qū)工作，變換器的主變壓器就不會發(fā)出嘯叫聲。對主電路增加了尖脈沖的吸收保護電路，對嘯叫聲有所削弱，但不能完全的消除嘯叫的聲音。

5 結(jié)論

本文用 SG3525和EXB 841為主控芯片制成了5000W 的半橋變換器，并給出了各種功能的實現(xiàn)電路。該變換器目前已成功應用于中小功率的逆變電焊機和小容量電瓶車充電器上，在實際工作中性能良好，具有較好的動態(tài)響應性能和成本優(yōu)勢。

[1] 楊旭,裴云慶,王兆安.開關電源技術 [M].北京:機械工業(yè)出版社,2004

[2] 王兆安,楊君,劉進軍.諧波抑制與無功補償[M].北京:機械工業(yè)出版社,1998

[3] Francisco Canales, Peter Barbosa, Carlos Aguilar, Fred C Lee.A Quasi-Integrated AC/DC Three-Phase Dual-Bridge Converter. Proceedings of PESC , 2001

[4] Weihong Qiu, Wenkai Wu, Shiguo Luo, Wei Gu, Batarseh I.A Bi-fly-back PFC Converter with Low Intermediate bus Voltage and Tight Output Voltage Regulation for Universal Input Applications. Proceedings of APEC,2002

[5] Tan F D, Middlebrook R D. A Unified model for Current-programmed Converters. Power Electronics. IEEE Transaction on,1995, 10(4):397-408