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          基于Topswitch的新型高壓直流電源

          作者: 時(shí)間:2006-05-07 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

          Topswitch器件及特性

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/233514.htm

          Topswitch是美國(guó)Power Integrations公司從1994年起推出的開關(guān)電源新器件,它把脈寬調(diào)制(PWM)控制器與需壓700V的功率開關(guān)管MOS-FET合二為一集成到一塊芯片上,大多采用TO220三腳封裝,通過漏極D、源極S和控制極C與外電路相連,如圖1。

          其產(chǎn)品型號(hào)除PWR-TOP100-104、PWR-TOP200-204、PWR-TOP209-210外,最近又推出了PWR-TOP221-270等新產(chǎn)品。Topswitch的IC的問世,不僅解決了過去由于開關(guān)電源中的脈寬調(diào)制控制芯片和功率開關(guān)管相互獨(dú)立所造成的外圍元件及輔助電路多,致便開關(guān)電源電路復(fù)雜的問題,且仍然具有過流保護(hù)和超高溫關(guān)斷等功能。它使SMPS開關(guān)電源對(duì)市電的適應(yīng)范圍加寬(可適應(yīng)82~265V市電),有力地促進(jìn)了SMPS的高效化、模塊化、小型化和輕量化,為設(shè)計(jì)新一代SMPS奠定了基礎(chǔ)。

          在SMPS電路中,一般情況下,Topswitch開關(guān)器件的漏極D和變壓器初級(jí)的一端相接。由于漏感引起的反峰電壓反射到變壓器的初級(jí),將直接加在漏極上,而反峰電壓與輸出電壓有關(guān),即輸出電壓越高,反峰電壓也越高,這對(duì)于漏極與源極之間耐壓只有700V的Switch器件來說,超過700V將很容易使其擊穿,因此Topswitch系列器件制做的開關(guān)電源,大多采用低壓小功率輸出,如何運(yùn)用器件制做高壓直流電源還是個(gè)新課題,下面針對(duì)這一問題進(jìn)行了研討。

          高壓直流電路的研制

          依據(jù)Topswtich電路的特性,我們認(rèn)為可采用二次升壓的辦法獲得輸出為數(shù)千伏的直流高壓。

          1、電路組成及工作原理

          整個(gè)電路分為低壓和高壓兩部分,如圖2所示。

          低壓電路部分是工作頻率為100KHz,具有最簡(jiǎn)單初級(jí)反饋偏置電路(去掉低電壓輸出的整流濾波部分)的開關(guān)電源,220V的市電經(jīng)輸出濾波、橋式整流和濾波,將300V的直流電壓經(jīng)變壓器T1的初級(jí)繞組加到Topswitch的漏極,此時(shí),Topswitch的內(nèi)部振蕩網(wǎng)絡(luò)給其場(chǎng)效應(yīng)管柵極提供一個(gè)高電平,使場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通,漏極電流從零開始增大,在T1的次級(jí)繞組和反饋繞組中,就會(huì)感應(yīng)出一個(gè)上負(fù)下正的感應(yīng)電壓(據(jù)同名端)。導(dǎo)通一定時(shí)間后,當(dāng)Topswitch內(nèi)部振蕩網(wǎng)絡(luò)加到場(chǎng)效應(yīng)管柵極的電平由高變低時(shí),使場(chǎng)效應(yīng)管由導(dǎo)通變截止、在截止期間變壓器T1初級(jí)繞組中的電壓變?yōu)樯县?fù)下正,次級(jí)繞組和反饋繞組上的電壓為上正下負(fù)。此后Topswitch內(nèi)部振蕩網(wǎng)絡(luò)加到場(chǎng)效應(yīng)管柵極的電平由低變高,場(chǎng)效應(yīng)管又開始導(dǎo)通,就這樣周而復(fù)始,其工作波形見圖3。這時(shí)在選擇合適的電路元器件及其參數(shù)的情況下,可在變壓器T1的次級(jí)3、4端獲得30V(頻率為100kHz)的電壓輸出。反饋繞組上的偏置電壓由VD3、R1和C2整流濾波,加至Topswitch的控制極,該電路僅作為電路啟動(dòng)用,C2和R2一些完成控制制回路的補(bǔ)償。VD1、CD2用以吸收由漏感引起的尖峰脈沖電壓。

          高壓電路部分僅含高壓升壓變壓器T2和若干高壓整流二級(jí)管及濾波電容C3。若變壓器的T1次級(jí)輸出的30V100kHz的交流電壓經(jīng)T2升壓、整流濾波,就可得到數(shù)千伏的高壓直流電。

          2、輸出電壓的確定和變壓器的設(shè)計(jì)

          變壓器T1的設(shè)計(jì):實(shí)驗(yàn)電路選用TOP204在220/240V交流電壓下,占空比為50%,而Pmin=52W,Pnom=74W,Pmax=135W,器件工作時(shí)要求變壓器的初級(jí)電感是770~1480μH。為使變壓器的設(shè)計(jì)滿足高頻工作條件,其鐵芯應(yīng)選用高頻鐵氧體E128磁芯。經(jīng)計(jì)算如初級(jí)繞組NP為45匝,則反饋繞組磁NB為5匝,次級(jí)繞組Ns可由PI公司推薦的μ01=[5.7+(Ic×15)]Ns/NB-VD3,該公式可簡(jiǎn)化為μ01=5.7V×NS/NB-VD3,現(xiàn)將輸出電壓按μ0130V計(jì),則可算出次級(jí)繞組匝數(shù)NS=27匝。

          變壓器T2設(shè)計(jì)除了要滿足高頻工作電磁能量傳遞的必要條件(最好選用有效面積和磁路長(zhǎng)度與E128相當(dāng)?shù)目谧中胃哳l鐵芯)外,還必需滿足高壓絕緣條件。其骨架的選擇和繞制方法均可仿效電視機(jī)的高壓包,繞好后還要經(jīng)過浸染和烘干,裝上鐵芯后,最好用環(huán)氧脂封固,接入電路前要用搖表測(cè)其絕緣強(qiáng)度。若T2的初級(jí)匝數(shù)定為20匝,次級(jí)匝數(shù)定為300匝,接入低壓電路后則可獲得4500V的高壓直流輸出。

          3、本高壓直流電源研制注意事項(xiàng)及特點(diǎn)

          用Topswitch,采用二次升壓的辦法研制變壓直流電源,其變壓器設(shè)計(jì)是關(guān)鍵,也是技術(shù)難點(diǎn)。要選好材料精心繞制,才能達(dá)到技術(shù)要求。其次是要搞好電路元器件的布局,為防止高壓電路部分對(duì)低壓電路的影響,對(duì)高壓電路應(yīng)采取適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)措施(如屏蔽)。再次是對(duì)已安裝好的高、低壓電路分別調(diào)制,然后再相接,聯(lián)結(jié)時(shí)要注意同名端。

          該電路具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單,調(diào)試方便等優(yōu)點(diǎn),所需元器件不多,只要注意上述問題,選好元器件參數(shù),就可得到所需的高壓直流輸出。



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