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一種低壓程控電源的設(shè)計(jì)

2011-01-24 11:09 來(lái)源:電源網(wǎng) 編輯:flash

  0 引言

  在某些自動(dòng)測(cè)量領(lǐng)域,為了滿足特殊的測(cè)試條件或測(cè)量過(guò)程,常要求在測(cè)量過(guò)程中能控制電源倒換極性或者使電源接入或脫離測(cè)量系統(tǒng),即能夠根據(jù)測(cè)量的需要來(lái)隨時(shí)控制電源的狀態(tài)。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展,全控型器件的開關(guān)速度、容量及可靠性有了很大的提高,使得利用全控型器件實(shí)現(xiàn)在程序上可控的電源變得十分容易。本文結(jié)合一種測(cè)量過(guò)程的實(shí)例,給出了一種低壓可控電源的設(shè)計(jì)。

  在應(yīng)用直流疊加法檢測(cè)XLPE電纜絕緣電阻的方法中,為了抵消測(cè)量中干擾的影響,要求在測(cè)試過(guò)程中能變換電源的極性,而且在某段過(guò)程中,要求能完全切斷電源。我們利用電力電子器件,實(shí)現(xiàn)了一種在測(cè)量過(guò)程中可控的低壓電源,為實(shí)現(xiàn)測(cè)量的全面自動(dòng)化鋪平了道路。

  1 測(cè)量電路對(duì)電源的要求

  直流疊加法檢測(cè)電纜絕緣的實(shí)驗(yàn)室主接線圖如圖1所示。



  在圖1中,電纜用一個(gè)電阻與一個(gè)電容的并聯(lián)電路來(lái)建立模型,1MΩ的電阻為保護(hù)水電阻,變壓器將220V的電壓升到110kV后,加到電纜上。在測(cè)量試驗(yàn)中,主要的要求是將一個(gè)50V的直流電壓疊加到電纜上,以測(cè)量出電纜的絕緣電阻R,為了減小測(cè)量誤差,需要倒換電源極性,進(jìn)行正反向兩次測(cè)量。此外,在現(xiàn)場(chǎng)由于變壓器中性點(diǎn)常通過(guò)一小電阻接地,此電阻的阻值僅為幾Ω到十幾Ω,為了能將直流電源疊加到電纜上,直流電源必須能提供足夠大的電流。在應(yīng)用直流疊加法

  檢測(cè)電纜絕緣中,通常需要的直流電壓為50V,這樣,設(shè)定中性點(diǎn)的接地電阻最小值為5Ω,通過(guò)歐姆定律我們可以得出,直流電源至少要能夠提供10A的電流;此外,考慮到在測(cè)量過(guò)程中需要的開關(guān)速度,就可以選擇合適的電力電子器件了。經(jīng)過(guò)對(duì)常用全控型電力電子器件的考察,我們決定采用 MOSFET來(lái)作為開關(guān)器件,選用IR公司的IRFP460。IRFP460是IR公司生產(chǎn)的高速器件,它的安全工作區(qū)如圖2所示,在圖2中我們可以看出,在50V的情況下,10A是它可以安全關(guān)斷的電流。

  IRFP460的安全工作區(qū)

 

  2 主電路設(shè)計(jì)

  由于在測(cè)量過(guò)程中不僅要求能倒換電源的極性,而且要求能將電源完全脫離測(cè)量系統(tǒng),因此,在設(shè)計(jì)中利用一全橋電路來(lái)實(shí)現(xiàn)電源的極性控制及全關(guān)斷。主電路如圖3所示。

  

  從圖3可以看出,主電路實(shí)際上是一個(gè)整流電路及一個(gè)全橋逆變電路的組合,電源極性的倒換是通過(guò)逆變器實(shí)現(xiàn)的。這樣,就能輕松地實(shí)現(xiàn)程控電源。

  3 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

  在設(shè)計(jì)中,我們沒(méi)有采用常用的DC/DC模塊作驅(qū)動(dòng)電路電源,而是采用簡(jiǎn)單而便宜的三端穩(wěn)壓器件7824作驅(qū)動(dòng)電路電源。通過(guò)實(shí)驗(yàn)說(shuō)明,它在可靠性下降不大的情況下使成本下降了3/4。一路驅(qū)動(dòng)電源電路圖如圖4所示。

 

  在圖4中,我們模仿驅(qū)動(dòng)集成電路EXB841的內(nèi)部電路,利用電阻R1及穩(wěn)壓管D2來(lái)制造一個(gè)參考地,使得相對(duì)于參考地來(lái)說(shuō),輸出電壓分別為+15V及-9V,參照IRFP460的器件手冊(cè),這兩種電壓已經(jīng)能夠可靠地觸發(fā)及關(guān)斷MOSFET。驅(qū)動(dòng)控制電路采用TLP250作為驅(qū)動(dòng)信號(hào)的控制電路。 TLP250的邏輯表及內(nèi)部電路分別如表1及圖5所示。

  表1 TLP250邏輯表 InputLED V1 V2

 

  TLP250內(nèi)部電路圖

 

  從表1及圖5可以看出,在提供了驅(qū)動(dòng)電源后,利用TLP250就可以很容易地實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電路與主電路的接口,當(dāng)光耦導(dǎo)通時(shí),V1導(dǎo)通,VCC近似等于 Vo,此時(shí)輸出到MOSFET上的柵漏電壓近似為15V;當(dāng)光耦截止時(shí),V2導(dǎo)通,Vo近似等于GND,此時(shí)輸出到MOSFET上的柵漏電壓近似為-9V。

  4 驅(qū)動(dòng)電路與控制電路的接口

  由于在本設(shè)計(jì)中,采用單片機(jī)作為測(cè)量系統(tǒng)的核心,因此,控制電路的核心也采用單片機(jī),為了節(jié)約單片機(jī)的IO口,采用一片74LS175作為控制信號(hào)的鎖存器。驅(qū)動(dòng)電路與控制電路的接口電路如圖6所示。

  在圖6中,AD0—AD3為低四位數(shù)據(jù)總線,CLK2為譯碼器與單片機(jī)讀寫信號(hào)配合給出的觸發(fā)信號(hào)。在測(cè)量過(guò)程中,當(dāng)需要改變電源的狀態(tài)時(shí),直接將數(shù)據(jù)寫入到74LS175中并鎖存,就可以據(jù)此控制各個(gè)橋臂的導(dǎo)通與關(guān)斷。在此需要注意的是,在調(diào)試過(guò)程中一定不要給出錯(cuò)誤的數(shù)據(jù),造成橋臂直通,從而使得 MOSFET永久損壞。




  驅(qū)動(dòng)電路與控制電路接口電路

 

  5 保護(hù)電路設(shè)計(jì)

  5.1 過(guò)電壓保護(hù)電路設(shè)計(jì)

  在本設(shè)計(jì)中,由于電源容量?jī)H為500W,因此,可以采用簡(jiǎn)單的RC吸收電路。電路圖如圖7所示。

  RC吸收電路

 

  將圖7所示的電路并聯(lián)到MOSFET兩端即可有效限制沖擊過(guò)電壓。電容的參數(shù)可以通過(guò)實(shí)測(cè)來(lái)計(jì)算,也可以簡(jiǎn)單地選取MOSFET極間電容的2倍,電阻的參數(shù)與開關(guān)頻率有關(guān)。

  5.2 過(guò)電流保護(hù)電路設(shè)計(jì)

  在本設(shè)計(jì)中,由于電源容量不大,因此,考慮采用晶體管過(guò)電流保護(hù)電路,如圖8所示。

  在圖8中,R1—R10為1Ω的標(biāo)準(zhǔn)電阻,功率為2W,當(dāng)電流超過(guò)預(yù)定值時(shí),在并聯(lián)電阻上的壓降超過(guò)0.7V,三極管導(dǎo)通,此時(shí),MOSFET將因柵源極間承受反向電壓而截止,從而切斷主電路;當(dāng)電流值正常時(shí),MOSFET正常導(dǎo)通,不會(huì)影響電路的正常工作。這種電路的缺點(diǎn)在于,如果電路中出現(xiàn)時(shí)斷時(shí)續(xù)的過(guò)電流時(shí),MOSFET將會(huì)不斷地動(dòng)作。為此,在圖3中還加入了其他保護(hù)元器件。

  過(guò)電流保護(hù)電路

 

  從圖3可以看出,為了防止主電路整流側(cè)過(guò)流損壞,在變壓器副邊設(shè)置了空氣開關(guān)。在此需要說(shuō)明的是,此開關(guān)不能設(shè)置在變壓器原邊,以避免因勵(lì)磁涌流而誤動(dòng)作。在逆變部分還加入了小電感,以防止電流變化造成的損壞,串入快速熔斷器作為晶體管過(guò)電流保護(hù)的后備保護(hù)。

  MOSFET管柵源極間的保護(hù)電路在很多文獻(xiàn)中已經(jīng)給出,在此不再多述。

  6 結(jié)語(yǔ)

  將MOSFET應(yīng)用于自動(dòng)測(cè)量領(lǐng)域,采用單片機(jī)作為測(cè)量系統(tǒng)的核心,成功解決了自動(dòng)測(cè)量過(guò)程中需要控制電源狀態(tài)的問(wèn)題。利用此電路不僅可以自動(dòng)倒換電源極性及實(shí)現(xiàn)電源的程控關(guān)斷,而且,在MOSFET開關(guān)頻率允許的前提下,還可以利用此電路編程實(shí)現(xiàn)任意的SPWM波形。

  此設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)緊湊,可控性高,且成本較低,在測(cè)量試驗(yàn)中取得了滿意的效果,體現(xiàn)了程序控制的優(yōu)勢(shì)。
原創(chuàng):跟我學(xué)電子電源系列
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