基于虚拟仪器的功率三极管热阻测试系统

　　摘要：随着计算机、通信技术、以及汽车工业的发展,低电压大电流开关电源成为目前一个重要的研究课题。本文介绍了一种利用推挽方式与同步整流技术而设计的一个输入直流电压为12V,输出电压为24V、输出电流为12A的直直变换器,该电源可将普通发电机发的电转变为车载系统所需电源。

　　1.引言

　　开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定 输出电压的一种电源。从上世纪90年代以来开关电源相继进入各种电子、电器设备领域，计 算机、程控交换机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用了开关电源。 随着电源技术的发展，低电压，大电流的开关电源因其技术含量高，应用广，越来越受到人 们重视。在开关电源中，正激式和反激式有电路拓扑结构简单，输入输出电气隔离等优点， 广泛应用于中小功率电源变换场合。与正、反激式相比，推挽式变换器变压器利用率高，输 出功率较大，而且由于使用MOS管,基本不存在励磁不平衡的现象。因此，一般认为推挽式变 换器适用于低压，大电流，功率较大的场合。

　　2.基本推挽变换技术

　　推挽式直直变换器的电路结构如图1（a）所示,波形如图1(b）所示。推挽式逆变器将直 流电压变换为交流方波加在高频变压器的原边，在隔离变压器的副边只有一个二极管压降。 当开关管 S1 导通时，二极管 D1 承受正压而导通，而 D2 由于反向偏置而截止；因此，

　　3 电路的设计

　　3.1 主电路的设计

　　开关电源的主电路拓扑结构如图2所示，详细参数如下：输入电压为12(1±10％)V，输 出电压为24V，输出电流为12A，工作频率为33kHz。主电路采用的是推挽型电路，主开关管 用的是IRFP064N,在主电路上输入端有两个1000uF／50V并联的输入滤波电容,在输入的电路 的正级接有一个2.2uH的输入滤波电感（电感取值与输出滤波电感一样）。电路中变压器的 设计跟一般变换器所用变压器设计类似，只需注意绕线方式和铜线选择，由于本变换器的电 流过大，故采用多股细线并绕的方式。

　　在输出端用的是同步整流技术，在低电压大电流功率变换器中，若采用传统的普通二 极管或肖特基二极管整流由于其正向导通压降大(低压硅二极管正向压降约0.7V，肖特基二 极管正向压降约0.45V，新型低电压肖特基二极管可达0.32V)，整流损耗成为变换器的主要 损耗，无法满足低电压大电流开关电源高效率，小体积的需要。MOSFET导通时的伏安特性为 一线性电阻，称为通态电阻DS R ，低压MOSFET新器件的通态电阻很小，如：

　　IRF2807(75V,82A)、IRL2910(100V,55A)通态电阻分别为0.013Ω、0.O26Ω，它们在通过20A 电流时，通态压降不到0.2V。另外，功率MOSFET开关时间短，输入阻抗高，这些特点使得MOSFET 成为低电压大电流功率变换器整流器件。MOSFET的栅-源问的硅氧化层耐压有限，一旦 被击穿则损坏，所以实际上栅-源电压值在50-75V之间，如电压超过75V，应该在栅 极上接稳压管.并从成本综合考虑，选用IRF2807。需要特别指出的是图中MOS管做为整流 管的接法,有，有些读者可能会认为接法有误，这是由于普通的参考用书没有描述电力MOSFET的正栅压反向输出特性。实际上，电力MOSFET除需要介绍非饱和区、饱和区和截 止区外，还应考虑反向电阻区，反向电阻区与正向电阻区有相类似的沟道特性。这是由于变 压器二次侧电压为交变方波，整流管要承受反压但电力MOSFET是逆导器件，若工作在正向 电阻区将无法整流。

　　在电压输出部分，使用了LC滤波电路，电感电容参数是根据LC滤波中K式滤波器滤波 特性曲线及计算公式计算出来的,并在实验后做了调整。（K式滤波是指串臂阻抗和并臂阻抗 的乘积是一个不随频率变化的常数，量纲为电阻）

　　3.2 控制电路的设计

　　控制电路选用SG3525芯片，它是美国硅通用半导体公司（Silicon General）推出的用 于驱动N沟道功率MOSFET的电流控制型PWM控制器，它具有很高的温度稳定性和较低的噪声等 级，具有欠压保护和外部封锁功能，能方便地实现过压过流保护，能输出两路波形一致、相 位差为180°的PWM信号，有效地减少输出电流的纹波，适合于推挽拓扑电路。从控制芯片 SG3525出来的两路控制信号分别用来控制一个IRFP064N,达到了驱动两个开关管的目的,且 二者电流方向相反。

　　控制电路使用了闭环控制方式令输出电压保持恒定，由检测到的电压经过光耦隔离后传 到SG3525与一个标准值进行比较，以此来调整占空比并相应调整输出电压,如图3反馈电压的 检测,光耦选用7840不但起到了隔离作用使输出电压与输入成比例变化。由于芯片所需电源 不能由输入电源直接提供，所以特用了两个直流稳压小芯片来提供电源，基准源要求稳定的 电压，在SG3525本身所提供的稳压输出的基础上再通过一个TL431的稳压，经过测量完全达 到要求。

　　在输出整流电路中，当整流管Q3的受正向电压导通时，应及时驱动Q3导通，以减小压降 和损耗。

　　4 实验结果和波形分析

　　图5是推挽电路两路门极脉冲波形（示波器幅值*10），两个脉冲基本是相互对称的，方 向相反则励磁方向相反可以避免励磁不平衡，电路此时工作在Vi =11V左右。图5为变压器输 出电压，也就是同步整流管Q3和Q4的驱动信号，由图可以看出上下两个波形是对称的,说明 他们是分别只有为正的时刻才导通。在实验室里用示波器测出了输出电压的波形,纹波并不 大,完达到电器类电源的要求。

　　实验所得波形和分析的波形基本吻合，只是在开关转换 瞬间， 电压有小尖峰，这是由电路的杂散参数引起的。该电路的工作效率经过测量大约在 90％左右，基本达到设计的要求。

　　5 结语

　　仿真分析和实验结果验证了理论分析和公式推导的正确性，表明推挽正激电路应用于该 变换器中具有以下优点：

　　1）抑制了开关管漏源极电压尖峰，降低了开关管的电压应力和功率损耗，整机效率高。

　　2）变压器双向磁化，磁芯利用率高。

　　3）输入电流纹波安秒积分较其它拓扑小，减小了输入滤波器体积。

　　4）输出在经过LC 滤波后，输出的波形振幅很小。

　　本文作者创新点为:利用推挽技术使变换器变压器利用率高，输出功率较大，而且由于使 用MOS管,基本不存在励磁不平衡的现象，在输出部分使用了同步整流技术，减少了电压在整 流管上的损耗，提前了整个变换器的效率，使用了LC滤波，基本消除了高次波的污染。

  

参考文献:

[1]. 12A datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/12A_1743128.html.
[2]. D1  datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/D1+_2060593.html.
[3]. IRF2807 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/IRF2807_407278.html.
[4]. SG3525 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/SG3525_606147.html.
[5]. TL431 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/TL431_651177.html.