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開關電源可靠性的設計

作者:admin來源:本網 日期:2017-11-16 13:43:00 人氣: 標簽:

  農機化研究bookmark0開關電源可靠性的設計黃永俊,張居敏,胡月來(華中衣業大學工程技術學院,湖北武漢430070)于功率密度的增大和頻率的提高所產生的電磁千擾對電源本身及其周圍電子設備的正常工作都造成威脅。

  為了確保開關電源可靠地工作,必須進行可靠性設計。為此,討論了IGBT開關電源的可靠性問題,從主電路、控制電路和整機加工等方面闡述了提高開關電源可靠性的設計。

  隨著工業技術的不斷發展,許多行業對電源產品可靠性的要求越來越高。影響開關電源可靠性的因素很多,般包括主電路結構和參數設計、電路隔離、保護電路、PCB布線、濾波與屏蔽、整機設計與調試等。本文擬從以下幾個方面進行探討。

  1主電路設計、保護及抗干擾措施開關電源主電路主要采用逆變式。比較幾種逆變主回路的形式和特點可知,半橋逆變器不僅結構簡單,開關管承受耐壓小,驅動功率小,而且具有―定的抗不平衡能力。選用半橋式逆變電路有利于開關電源工作的可靠性。另外,半橋式逆變電路適用于中、小功率。

  逆變器以開關器件和主變壓器組成逆變主回路,其開關器件選擇是否適當將直接影響其工作的穩定性和可靠性。IGBT(絕緣柵雙極晶體管)是MOSFET與GTR的復合器件,既具有MOSFET的工作速度快、輸入阻抗高、驅動電路簡單等優點,又具有GTR載流量大、阻斷電壓高等優點,且集成智能型IGBT具有使用方便、保護可靠等更多優點。因此,主電路可采用IGBT,且為使電源長時間可靠地工作,應選用余量較大的器件。

  1.1IGBT功率管的保護(1)R、C、D過壓吸收和柵極保護電路(見所示)。IGBT逆變器高頻工作,有明顯波形畸變,關斷時會造成很陡的尖峰電壓,需設計合適的緩沖或吸收網絡。中,二極管D的作用是讓電容在IGBT開通瞬間通過R2放電,以減少其開通負擔。

  在IGBT關斷時,通過D給電容放電,以降低IGBT集電極的電壓上升率dv/df.這樣,就將開關損耗從IGBT轉移到了電阻R上。雙向箝位穩壓管(18V)和R1(102kQ)可提高IGBT柵極抗干擾能力。

  當IGBT長時間工作時,其溫度將升高,導致它的抗干擾能力下降。因此,保證其良好的散熱條件是十分重要的。應計算開關管最大功率以選用適當的散熱器,保證器件同散熱器充分、良好接觸,形成良好的散熱面。

  半橋逆變器中還應注意防止"直通"現象發生,要在PWM控制電路中設定死區時間。死區時間不能太小,定不能小于開關管的關斷時間。

  1.2抗干擾措施在主電路輸入端加上低通濾波器(見所示)。L1、L2構成共模扼流圈(兩線圈匝數相同),對濾除共模躁聲有很大作用。C3對濾除差模躁聲起作用,C1、C2對濾除共模躁聲起作用。

  低通濾波器高頻變壓器副邊整流二極管采用肖特基快恢復二極管,并在其上并接高頻電容器。這樣,方面降低了其反向恢復過程中振蕩的頻率,濾除了農機化研究bookmark4不必要的高頻干擾雜波;另一方面也減緩了開關管電壓的反向上升率。

  高頻變壓器采用緊密偶合,并采取屏蔽措施,減小漏感,盡量消除初、次極間的分布電容,抑制干擾源。

  選用適當的高頻變壓器鐵芯(如鐵氧體磁性材料),確保高頻變壓器不飽和,以免其飽和導致尖峰電流。

  2控制電路的抗干擾措施弧焊逆變器的控制電路要完成數據采樣、程序控制和電源外特性控制等功能,使用的器件種類多,通常由半導體器件、阻容元件和集成電路等組成,其可靠性受多方面因素的影響。提高控制電路的可靠性是逆變器設計的重要目標。逆變器本身對控制電路來說是個強大的干擾源,在控制電路的設計中要注意采取相關的抗干擾措施。

  控制電路與主電路之間采取隔離的方法,即在驅動電路采用脈沖變壓器,反饋回路采用光電偶合器。

  合理布置電源線和地線。在控制電路板的設計中,應降低電源線和地線的阻抗,電源線和地線要粗、短、直。

  為避免印制電路板上電感的影響,要在各個集成電路的電源端和地線端之間接入旁路電容,以縮短開關電流的流通途徑,降低電感引起的電壓差的影響,減小印刷電路板上的電壓波動。另外,也可以達到去耦的目的,抑制因負載電壓而產生的躁聲。

  根據電路原理圖中元器件的體積、多少及相互影響來決定印制電路板的尺寸。印制板過大,會增加阻抗,降低其抗噪聲干擾能力;尺寸小時,散熱不好,同時易使線條過近,產生干擾。為此,應將相關器件盡量就近排列,減短引線。

  印制電路板時,為了抑制導線之間的串繞,要避免長距離走線,盡可能拉開線間距。信號線間不要平行走線,應采用垂直交叉或纏繞方式。

  地線設計是印制電路板中不可忽略的問題。為避免接地形成環流干擾,可采用一點接地。控制電路板與主電路分離,特別是公共阻抗問題。

  控制電路的地線不要用主電路地線。

  3整機加工中應注意的問題為提高電源工作可靠性,所有元器件都必須經過嚴格老化試驗和篩選。

  電源工作環境較差,印制板和其他重要元件要做防潮、防毒、防鹽霧的“三防”處理。可采用S31-1型聚胺脂絕緣漆,也可用無毒H30-3環氧絕緣漆。

  機內變壓器的高壓側和低壓側對地(機殼)絕緣要求很高,經過加工的絕緣材料必須做浸漬處理,各金屬部分之間的距離應符合標準。

  逆變電源散熱冷卻得好壞,直接關系到整機運行的可靠性。接觸面上可均勻涂上一層硅脂以減少熱阻。在整機裝配中,考慮通風路徑設計的合理性。

  應特別注意變壓器和電抗器的層間絕緣問題。對繞制好的變壓器必須浸漬烘干,保證匝間耐壓和變壓器初級的耐壓。此外,應保障變壓器的通風通道,良好的散熱條件,防止變壓器磁芯發熱。

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