28V—120A开关直流稳压电源设计

摘 要：开关直流稳压电源具有体积小、重量轻、高效率、低纹波、动态响应快、控制精度高等诸多优点，为了得到符合实际需求的开关直流稳压电源，对28V-120A开关直流稳压电源进行了设计与研究，主要由整流滤波、桥式开关电路、驱动电路、脉宽控制电路、输出整流滤波电路、稳压与光电隔离电路、电压与电流保护电路、面板指示与调整电路等组成，实验结果验证了模式的正确性.

关键词：开关直流稳压电源；电路设计；仿真分析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.10.148

1 引言

传统的集中式电源供电系统已经无法适应市场的需求，逐渐被淘汰，而由多个电源模块并联组成的并联电源系统[2]则被市场广泛接受并且迅速发展。本课题设计了两个电源模块，单机可为28V-60A的用电设备供电，同时又可作为大型车辆的快速充电使用，是一种经济可靠的较大功率的开关电源。

单机模块设计参数：

（1）220V/50Hz单相工频交流电或者380V/50Hz三相工频交流电；

（2）UO=28V，调整范围28V±4V ；

（3）28V输出时，最大输出电流60A、电压精度为±2.5%；

（4）波纹电压有效值小于100mV；

（5）具有过流保护、过压与欠压、过热保护功能与电风扇转速控制；

（6）最大电流50A时，连续工作时间不低于2小时；电流大小达到70%时，连续工作时间不低于100小时。

主、副电源模块并联运行参数：

（1）并联运行电压输出范围18V～32V，最大输出电流120A；

（2）并联运行在31V/120A时，精度优于0.5%，最大功率可达3.7kw；

（3）波纹电压有效值优于20mV。

2 单模块及模块并联设计

2.1 单机主变换电路原理及考虑

主变换部分电路原理如图1所示，基本的思路是将220V交流电经过线路滤波器，再经过高压大电流全桥整流，使用两个大容量电容（1000uF/250V）串联均压，将整流后约300V的直流电变换为两个140V的直流电，供半桥变换电路使用。

半桥变换使用两个大功率IGBT复合场效应管（GT60N322，60A，1000V，内置反向二极管）GT1、GT2，与两个对称的直流140V电源组成半桥电路.主开关变压器初级线圈与电流互感器串联，连接在VinDC-2与GT1、GT2中间，可以给初级线圈加入约为正负140V的电压.按照额定交流电220V±44V考虑，线圈最低电压约为110V，最高电压约为168V.GT1、GT2在宽度可变反相脉冲作用下交替导通，将高压直流电变换为宽度可变的电压，经过主开关变压器后电压幅度约为36V～42V，再经过全波整流与两级LC滤波电路变换为28V的直流电压。

2.2 主控部分研制方案

由SG3525构成的电源控制集成电路原理如图2所示， OUTA、OUTB输出两个反相、占空比小于50%的脉冲波（一般最高取45%，防止共模导通现象），驱动开关管电路.为了提高驱动能力提高开关速度，輸出OUTA、OUTB采用全桥的二级驱动。

2.3 限流保护部分研制方案

该部分的主要作用是实现限流、保护等功能，电路原理如图3所示。

（1）电风扇控制。温度测量使用了PN结反向电流度量，加到U1A反相端.在温度较低时，通过大功率三极管控制电风扇在低速运行.相反，温度升高后，输出控制电压变高，Q2三极管电流增大，提高转速。

（2）电压保护。以U1B为核心，构成滞回比较器，在超过一定温度时输出高电压，使面板故障等亮，输出Vo2加到SG3525控制端，使其停止工作。

以U1D为核心构成同相比较器方式的电压保护，如果输出电压取样后超过基准电压5V，则输出高电平，直接连接到3525A关断保护。

（3）输出过流保护。U1C可以理解为反相加法器，构成输出过流保护电路.其中输出电流取样，相对GND为负电压，Uref-R47提供正的电压，防止U-出现过低的负电压.CN7-限流调节，输出正电压，以射极输出器方式将正电压加到连接点，并连接到U1C-端.正常工作时，该点为正电压，所以输出Vo3为低电压（近约为0.35V）。

2.4 并联均流控制的实现

均流方法主要采用主从均流方法基础再进行设计，将样机中的两单个电源模块确定出主机和副机。通过并联控制电路板，通过主从均流方法，并联后副机的电压将跟随主机的电压变化，通过主副机之间的电压偏差信号实现均流控制。如图4所示，在电源模块独立工作时，主、副机电源模块中的VR电位器调节旋钮分别于各自的Rpot11、Rpotm12，Rpot21、Rpotm22接通，此时两电源模块独立运行。另外，主机电源模块的Rpot11、Rpotm12直接相连，副机电源模块要有继电器的JF21双刀双掷开关控制。继电器需要主机模块的12V电源供电才能工作。主、副机模块独立工作时，即继电器断电的情况下，开关置于下方端子，即Rpot21、Rpotm22的接通，副机也在独立运行状态。

如图5所示，并联控制电路板主要包括正母线并联继电器、取样电流、比较放大器、V-I变换器及光电耦合器、信号切换继电器等组成。控制板上两个插头JP+12V，将与主机12V电源和GND的连接.并联控制开关部件有信号继电器开关KP1-1、KP1-2（该继电器通断）、后面板的并联开关、正母线通断开关（使用12V/30A两并联继电器开关）、负母线连通金属片.并联运行前，必须做好将后面板的并联开关由负母线金属片压力闭合，连接正母线，才能接入负载箱。负载箱含有A组、B组两组相同的负载，样机实验项目是通过进行电流和电压的测试。负载箱包括A、B两组负载，在30V条件下，A组使用开关KA1～KA4使用开关可以连接3Ω/10A、3Ω/10A、2Ω/15A，2Ω/15A四种负载；在30V条件下，B组使用开关KB1～KB4使用开关可以连接3Ω/10A、3Ω/10A、2Ω/15A，2Ω/15A四种负载。

从表1可以看出，单个电源模块独立运行时，电源的稳压精度较高，纹波系数满足了设计要求。图17说明了开关电源在不同负载下驱动电路对开关的的调节情况，可以看出信号比较可靠、准确。图10，分别为 Uo=28V时接入两2//2欧姆负载时，主副机并联均流情况主机14.1A，副机为13.0A、 Uo=28V时接入两3//3//2//2（Ω）负载时，主机24.7A，副机21A，从并联均流情况，从均流情况来看满足设计要求。

3 结语

开关电源设备的发展不仅受到电力电子技术发展的制约，而且受到设备制造技术、市场需求、制造成本与利润等多方面因素的影响.但开关电源设备的发展呈现高频化和小型化的趋势，模块化并联技术日益成熟，这就为提高中功率开关电源改进和优化奠定必备的硬件基础。

参考文献：

[1]华伟，周文定，现代电力电子器件及其应用[M].北京：清华大学出版社，2002：1-5.

[2]路鸣，杨恒，丘野龙.自动均流技术及负载均流集成电路控制器UC3907[J].电子技术，1999（10）：27-30.

[3]郑则炯.浅析开关电源并联系统自动均流技术[J].科技展望， 2017，27（21）：131.

[4]李奎伟.程控直流开关电源模块的主从式并联均流设计[J].电子世界，2017（09）：142.

作者简介：高明（1982-），男，本科，讲师，研究方向：电工电子技术。