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开关电源可靠性的设计

作者:admin来源:本网 日期:2017/11/16 13:46:37 人气: 标签:

  农机化研究bookmark0开关电源可靠性的设计黄永俊,张居敏,胡月来(华中衣业大学工程技术学院,湖北武汉430070)于功率密度的增大和频率的提高所产生的电磁千扰对电源本身及其周围电子设备的正常工作都造成威胁。

  为了确保开关电源可靠地工作,必须进行可靠性设计。为此,讨论了IGBT开关电源的可靠性问题,从主电路、控制电路和整机加工等方面阐述了提高开关电源可靠性的设计。

  随着工业技术的不断发展,许多行业对电源产品可靠性的要求越来越高。影响开关电源可靠性的因素很多,般包括主电路结构和参数设计、电路隔离、保护电路、PCB布线、滤波与屏蔽、整机设计与调试等。本文拟从以下几个方面进行探讨。

  1主电路设计、保护及抗干扰措施开关电源主电路主要采用逆变式。比较几种逆变主回路的形式和特点可知,半桥逆变器不仅结构简单,开关管承受耐压小,驱动功率小,而且具有―定的抗不平衡能力。选用半桥式逆变电路有利于开关电源工作的可靠性。另外,半桥式逆变电路适用于中、小功率。

  逆变器以开关器件和主变压器组成逆变主回路,其开关器件选择是否适当将直接影响其工作的稳定性和可靠性。IGBT(绝缘栅双极晶体管)是MOSFET与GTR的复合器件,既具有MOSFET的工作速度快、输入阻抗高、驱动电路简单等优点,又具有GTR载流量大、阻断电压高等优点,且集成智能型IGBT具有使用方便、保护可靠等更多优点。因此,主电路可采用IGBT,且为使电源长时间可靠地工作,应选用余量较大的器件。

  1.1IGBT功率管的保护(1)R、C、D过压吸收和栅极保护电路(见所示)。IGBT逆变器高频工作,有明显波形畸变,关断时会造成很陡的尖峰电压,需设计合适的缓冲或吸收网络。中,二极管D的作用是让电容在IGBT开通瞬间通过R2放电,以减少其开通负担。

  在IGBT关断时,通过D给电容放电,以降低IGBT集电极的电压上升率dv/df.这样,就将开关损耗从IGBT转移到了电阻R上。双向箝位稳压管(18V)和R1(102kQ)可提高IGBT栅极抗干扰能力。

  当IGBT长时间工作时,其温度将升高,导致它的抗干扰能力下降。因此,保证其良好的散热条件是十分重要的。应计算开关管最大功率以选用适当的散热器,保证器件同散热器充分、良好接触,形成良好的散热面。

  半桥逆变器中还应注意防止"直通"现象发生,要在PWM控制电路中设定死区时间。死区时间不能太小,定不能小于开关管的关断时间。

  1.2抗干扰措施在主电路输入端加上低通滤波器(见所示)。L1、L2构成共模扼流圈(两线圈匝数相同),对滤除共模躁声有很大作用。C3对滤除差模躁声起作用,C1、C2对滤除共模躁声起作用。

  低通滤波器高频变压器副边整流二极管采用肖特基快恢复二极管,并在其上并接高频电容器。这样,方面降低了其反向恢复过程中振荡的频率,滤除了农机化研究bookmark4不必要的高频干扰杂波;另一方面也减缓了开关管电压的反向上升率。

  高频变压器采用紧密偶合,并采取屏蔽措施,减小漏感,尽量消除初、次极间的分布电容,抑制干扰源。

  选用适当的高频变压器铁芯(如铁氧体磁性材料),确保高频变压器不饱和,以免其饱和导致尖峰电流。

  2控制电路的抗干扰措施弧焊逆变器的控制电路要完成数据采样、程序控制和电源外特性控制等功能,使用的器件种类多,通常由半导体器件、阻容元件和集成电路等组成,其可靠性受多方面因素的影响。提高控制电路的可靠性是逆变器设计的重要目标。逆变器本身对控制电路来说是个强大的干扰源,在控制电路的设计中要注意采取相关的抗干扰措施。

  控制电路与主电路之间采取隔离的方法,即在驱动电路采用脉冲变压器,反馈回路采用光电偶合器。

  合理布置电源线和地线。在控制电路板的设计中,应降低电源线和地线的阻抗,电源线和地线要粗、短、直。

  为避免印制电路板上电感的影响,要在各个集成电路的电源端和地线端之间接入旁路电容,以缩短开关电流的流通途径,降低电感引起的电压差的影响,减小印刷电路板上的电压波动。另外,也可以达到去耦的目的,抑制因负载电压而产生的躁声。

  根据电路原理图中元器件的体积、多少及相互影响来决定印制电路板的尺寸。印制板过大,会增加阻抗,降低其抗噪声干扰能力;尺寸小时,散热不好,同时易使线条过近,产生干扰。为此,应将相关器件尽量就近排列,减短引线。

  印制电路板时,为了抑制导线之间的串绕,要避免长距离走线,尽可能拉开线间距。信号线间不要平行走线,应采用垂直交叉或缠绕方式。

  地线设计是印制电路板中不可忽略的问题。为避免接地形成环流干扰,可采用一点接地。控制电路板与主电路分离,特别是公共阻抗问题。

  控制电路的地线不要用主电路地线。

  3整机加工中应注意的问题为提高电源工作可靠性,所有元器件都必须经过严格老化试验和筛选。

  电源工作环境较差,印制板和其他重要元件要做防潮、防毒、防盐雾的“三防”处理。可采用S31-1型聚胺脂绝缘漆,也可用无毒H30-3环氧绝缘漆。

  机内变压器的高压侧和低压侧对地(机壳)绝缘要求很高,经过加工的绝缘材料必须做浸渍处理,各金属部分之间的距离应符合标准。

  逆变电源散热冷却得好坏,直接关系到整机运行的可靠性。接触面上可均匀涂上一层硅脂以减少热阻。在整机装配中,考虑通风路径设计的合理性。

  应特别注意变压器和电抗器的层间绝缘问题。对绕制好的变压器必须浸渍烘干,保证匝间耐压和变压器初级的耐压。此外,应保障变压器的通风通道,良好的散热条件,防止变压器磁芯发热。

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