基于L6565和ESBT? STC04IE170HV的80W三相SMPS設(shè)計(jì)解析

一、引言

在電機(jī)驅(qū)動(dòng)和焊接應(yīng)用中，一款高效且成本合理的輔助電源至關(guān)重要。本應(yīng)用筆記聚焦于設(shè)計(jì)一款80W的三相輔助電源，選用了STMicroelectronics的L6565 PWM控制器和STC04IE170HV作為主開(kāi)關(guān)，為高直流輸入電壓的三相應(yīng)用提供了高效解決方案。同時(shí)，文中的頻率響應(yīng)研究借助MATLAB完成，所有設(shè)計(jì)選擇都經(jīng)過(guò)深入探討，方便用戶根據(jù)具體需求進(jìn)行調(diào)整。輸入電壓甚至可擴(kuò)展至1000VDC，最后還對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，以揭示ESBT在此應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)。

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二、設(shè)計(jì)規(guī)格與L6565簡(jiǎn)介

2.1 轉(zhuǎn)換器規(guī)格數(shù)據(jù)

2.2 L6565特性

L6565采用電流模式控制，專為工作在準(zhǔn)諧振模式和零電壓開(kāi)關(guān)（ZVS）或至少準(zhǔn)ZVS（即導(dǎo)通時(shí)谷底開(kāi)關(guān)）的反激式轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)。這種設(shè)計(jì)能最大程度降低導(dǎo)通時(shí)的功率損耗。不過(guò)，由于輸入范圍為250V - 850V，只有當(dāng)(V{in }=V{inmin }=250V)時(shí)才能實(shí)現(xiàn)ZVS。L6565有8個(gè)引腳，詳細(xì)引腳功能可參考其數(shù)據(jù)手冊(cè)。

三、反激級(jí)設(shè)計(jì)

3.1 變壓器設(shè)計(jì)

3.1.1 核心尺寸

核心尺寸需根據(jù)要處理的功率、初級(jí)電感和飽和電流來(lái)選擇?？墒褂媒乒絒A{P}=10^{3}left[frac{L{P} I{rms( primary )}}{Delta T^{frac{1}{2}} cdot K{u} cdot B_{max }}right]^{1.316} quadleft[ cm^{4}right]]作為起點(diǎn)，最終選擇了ETD34。

3.1.2 變壓器損耗與氣隙

根據(jù)法拉第定律，為避免磁芯飽和，可計(jì)算最小初級(jí)繞組匝數(shù)[N{p min }=frac{V{in min } cdot T{O(N, max )}}{Delta B cdot A{e}}=frac{250 cdot 10 mu}{0.200 cdot 97 mu}=117]。氣隙長(zhǎng)度可根據(jù)公式[I{g}= gaplenght =left(frac{A{L}}{K{1}}right)^{frac{1}{ K{2}}}]計(jì)算，已知(L{p}=1.56 mH)和(N{p}=120)，可得氣隙長(zhǎng)度為1.63mm。在50kHz、220mT磁通偏移下，ETD34的功率損耗密度約為(300 mW / cm^{3})，總損耗約為2.29W。假設(shè)變壓器效率為95%，銅損約為1.7W。

3.1.3 線徑選擇

要選擇合適的線徑，需知道初級(jí)和次級(jí)的均方根電流。已知(I{peak, primary }=1.6 A)和(I{peak, secondary }=16 A)，可得(I{rms, primary }=0.65 A)和(I{rms, secondary }=6.53 A)。通過(guò)焦耳定律計(jì)算繞組電阻，再結(jié)合銅電阻率和平均繞組長(zhǎng)度，可計(jì)算出線徑。同時(shí)，為避免集膚效應(yīng)，最大允許直徑為0.5mm。最終確定變壓器的各項(xiàng)規(guī)格，如匝數(shù)比、線徑等。

3.2 其他參數(shù)計(jì)算

根據(jù)公式計(jì)算電壓應(yīng)力、反激電壓、匝數(shù)比、導(dǎo)通時(shí)間、峰值電流和初級(jí)電感等參數(shù)。例如，電壓應(yīng)力公式為[V{off }=V{inmax }-V{fl }-V{spike }]，匝數(shù)比(frac{N{p}}{N{s}}=frac{V{f l}}{V{out }+V{F, diode }}=frac{250}{24+1}=10)，初級(jí)電感(L{P}=frac{V{d c min }^{2} T{onmax }^{2}}{2.5 T{S} P{OUT }}=1.56 mH)，初級(jí)峰值電流(I{P}=frac{V{d c min } T{onmax }}{L{P}}=1.6 A)。

四、基極驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

4.1 比例驅(qū)動(dòng)方法

在開(kāi)關(guān)電源等負(fù)載可變的應(yīng)用中，集電極電流也會(huì)變化。采用比例驅(qū)動(dòng)方法，通過(guò)電流互感器提供與集電極相關(guān)的基極電流，可避免低負(fù)載時(shí)器件過(guò)飽和，優(yōu)化功耗性能。同時(shí)，利用電容和齊納二極管提供短脈沖，加快導(dǎo)通速度，減少動(dòng)態(tài)飽和現(xiàn)象。

4.2 電流互感器參數(shù)選擇

選擇電流互感器的匝數(shù)比為(frac{N{P}}{N{S}}=frac{1}{5})，磁芯磁導(dǎo)率應(yīng)適中，選擇相對(duì)磁導(dǎo)率在4500 - 7000的鐵氧體材料。根據(jù)法拉第定律和最大磁通限制，計(jì)算初級(jí)匝數(shù)。同時(shí)，考慮磁化電感對(duì)變壓器初級(jí)匝數(shù)和匝數(shù)比的影響，計(jì)算磁化電壓降和磁化電流。

4.3 其他元件選擇

選擇合適的齊納二極管、電容(C)和電阻(R)。(R)選擇0.56Ω，可消除基極電流峰值后的振鈴，且功耗可忽略。根據(jù)最小導(dǎo)通時(shí)間確定(t{peak})，進(jìn)而計(jì)算(C)的值。齊納二極管的選擇需滿足一定的經(jīng)驗(yàn)公式，限制基極峰值電流的幅度和持續(xù)時(shí)間，避免器件過(guò)飽和。最終確定(N{TP}=2)，匝數(shù)比為6，(C_=220 nF)，齊納二極管為3V。

五、輸出電路設(shè)計(jì)

5.1 輸出電容選擇

輸出紋波主要由電解電容的串聯(lián)電阻（ESR）引起，已知次級(jí)側(cè)峰值電流為16A，要求電阻紋波為2%（0.48V），可得(ESR {ripple }}{I{S P}}=frac{0.48}{16}=0.03 Omega)。根據(jù)(ESR^{*} C=32 e^{-6} s)，最終選擇兩個(gè)680μF電容并聯(lián)。

5.2 輸出二極管選擇

根據(jù)基爾霍夫電壓定律計(jì)算輸出二極管的最大電壓應(yīng)力，增加10%的余量后，選擇STPS20120D。

六、啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

6.1 電容預(yù)充電

為使電路在施加線電壓時(shí)盡快啟動(dòng)，需對(duì)(C{5})和(C{8})電容進(jìn)行預(yù)充電。通過(guò)直接連接到直流母線的電阻對(duì)(C{5})進(jìn)行預(yù)充電，根據(jù)L6565驅(qū)動(dòng)器的啟動(dòng)電流確定啟動(dòng)電阻的值，(left(R{1}+R{2}+R{3}+R{4}right){inmin }}{I_{SU }}=frac{250 V}{0.07 mA} equiv 3.6 M Omega)。