開關電源設計機載高頻開關電源設計

《開關電源設計機載高頻開關電源設計》由會員分享，可在線閱讀，更多相關《開關電源設計機載高頻開關電源設計（12頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

1、開關電源設計 機載高頻開關電源設計 機載高頻開關電源產(chǎn)品專門用于輸入交流 400Hz的場合，這是 特意為了滿足軍用雷達、航空航天、艦船、機車以及導彈發(fā)射 等專門用途所設計的。應用戶要求，研制出機載高頻開關電源 產(chǎn)品對電子武器裝備系統(tǒng)的國產(chǎn)化，打破國際封鎖，提高我軍 裝備的機動性，高性能都有重要的意義。 機上可供選擇的供電電源有兩種輸入方式：115V/400HZ中頻 交流電源和28V直流電源。兩種輸入方式各有優(yōu)缺點， 115V/400HZ電源波動小，需要器件的耐壓相對較高；而28V直 流電源卻相反，一般不能直接提供給設備部件使用， 必須將供 電電源進行隔離并穩(wěn)壓成為需要的直流電源才能使用。

2、機載電 源的使用環(huán)境比較惡劣，必須適應寬范圍溫度正常工作，并能 經(jīng)受沖擊、震動、潮濕等應力篩選試驗，因此設計機載電源的 可靠性給我們提出了更高的要求。下面主要介紹 115V/400HZ 中頻交流輸入方式所研制的開關電源，它的輸出電壓 270? 380Vdc可以調(diào)節(jié)，輸出功率不小于 3000W環(huán)境溫度可寬至 -40C?+55C，完全適應軍品級電源的需要。 系統(tǒng)構(gòu)成及主回路設計 僅供個人參考 For pers onal use only in study and research; not for commercial use 圖1所示為整機電路原理框圖。它的設計主要通過升壓功率因 數(shù)

3、校正電路及DC/DC變換電路兩部分完成。115Vac/400Hz中 頻交流電源經(jīng)輸入濾波，通過升壓功率因數(shù)校正 （PFC）電路完 成功率因數(shù)校正及升壓預穩(wěn)、能量存儲，再通過DC/DC半橋變 換、高頻整流濾波器、輸出濾波電路以及反饋控制回路實現(xiàn) 270?380Vdc可調(diào)節(jié)輸出穩(wěn)壓的性能要求。 圖1整機電路原理框圖 升壓功率因數(shù)校正電路主要使輸入功率因數(shù)滿足指標要求， 同 時實現(xiàn)升壓預穩(wěn)功能。本部分設計兼顧功率因數(shù)電路達到 0.92的要求，又使DC/DC輸入電壓適當，不致使功率因數(shù)校 正電路工作負擔過重，因此設定在 330?350Vdc。 隔離式DC/DC變換器電路拓撲結(jié)構(gòu)形式

4、主要有以下幾種：正 激、反激、全橋、半橋和推挽。反激和正激拓撲主要應用在中 小功率電源中，不適合本電源的3000W輸出功率要求。全橋拓 撲雖然能輸出較大的功率，但結(jié)構(gòu)相對較為復雜。推挽電路結(jié) 構(gòu)中的開關管電壓應力很咼，并且在推挽和全橋拓撲中都可能 出現(xiàn)單向偏磁飽和，使開關管損壞。而半橋電路因為具有自動 抗不平衡能力，而且相對較為簡單，開關管數(shù)量較少且電壓電 流應力都比較適中，故不失為一種合理的選擇。 DC/DC變換電路主要為功率變壓器設計，采用IGBT/MOSFE并 聯(lián)組合開關技術和半橋電路平衡控制技術。經(jīng)過分析計算，采 用雙E65磁芯，初級線圈12匝，次級繞組圈15匝。 關鍵技術設計

5、 1功率因數(shù)校正技術和無源無耗緩沖電路 具有正弦波輸入電流的單相輸入個功率因數(shù)校正電路在開關 電源中的使用越來越廣泛，圖2所示為升壓功率因數(shù)校正和無 源無耗緩沖電路。 圖2功率因數(shù)校正和新型的無源無耗緩沖電路 僅供個人參考 采用無源無耗緩沖電路，元件全部采用 L、C、D 等無源器件， 既有零電流導通特性， 又有零電壓關斷特性， 比傳統(tǒng)的有損耗 的緩沖電路元件少 30%。緩沖電路元件包括 L1、C1、C2、D1、 D2 和 D3b 可用UC2854A空制主開關SWB其緩沖電路是不需控制的，并 且具有電路簡單的特點。其原理是將二極管 DB反向恢復的能 量和SW關斷時儲存在C2中的

6、能量在SWB導通時轉(zhuǎn)移到C1 中。在SWBI斷時，L1中的儲能向C2充電，并通過D1、D2、 D3轉(zhuǎn)移到CB中，同時也向CB放電，用這種電路實現(xiàn)了零電 壓關斷和零電流導通， 有效地減少損耗， 提高了電路的效率和 可靠性。 該電路的主要特點是： 開關SW上最大電壓為輸出電壓 VL。 Boost二極管DB上最大反向電壓為 VL+VE VE值由IR、L1、 C1及C2的相關值決定。 開關SW上最大電流上升率由L1和V1決定，并且導通損耗和 應力很小。 開關SW上最大電壓率由C2決定，并且關斷功耗和應力很小。 在開關周期中，為獲得電流和電壓上升率的控制而儲存在 L1 和C2中的能量最終

7、又回到輸出電源中，這樣確保電路真正的 無損耗工作。 2 IGBT/MOSFE■并聯(lián)組合開關技術 圖3所示為IGBT/MOSFE并聯(lián)組合開關電路及工作波形圖。與 MOSFE相比，IGBT通態(tài)電壓很低，電流在關斷時很快下降到 初始值的5%但減少到零的時間較長，約1?1.5卩s,在硬開 關模式下會導致很大的開關損耗。在組合開關中，并聯(lián)MOSFET 在IGBT關斷1.5卩s后，拖尾電流已減少到接近零時才關斷。 ywilch 圖3 IGBT/MOSFE■并聯(lián)組合開關電路及工作波形圖 這種技術因通態(tài)損耗很低而使得 DC/D變換器的效率很高。但 需工作頻率相對較低，一般選取20?40kHN由于

8、半橋組合開 關只需兩個開關，總的開關器件的數(shù)目少，使可靠性顯著提高。 3半橋電路平衡控制技術 通過控制和調(diào)整IGBT/MOSFET柵驅(qū)動的延遲時間可使半橋平 衡，避免變壓器偏磁飽和過流，燒毀開關管。這在脈沖較寬大 時，很容易實現(xiàn)。但當輕載或無載時，脈寬很窄 （例如小于 0.3 口 s），此時的IGBT/MOSFE延遲已取消。因此在窄脈寬時， 為保持其平衡，我們采用了一個低頻振蕩器。當脈寬小于 0.3 口 s時，振蕩器起振使PWI發(fā)生器間歇工作，保持脈寬不 小于0.3卩s，以維持半橋平衡，使其在無載時能正常工作。 由于工作頻率較低，組合開關的開關損耗很小，通態(tài)損耗也很 小。 圖4半橋

9、電路平衡控制電路 4多重環(huán)路控制電路 平均電流模式控制系統(tǒng)采用PI調(diào)節(jié)器，需要確定比例系數(shù)和 零點兩個參數(shù)。調(diào)節(jié)器比例系數(shù) KP的計算原則是保證電流調(diào)節(jié)器輸出信號的上升階段斜率比鋸齒波斜率小， 這樣電流環(huán)才 會穩(wěn)定。零點選擇在較低的頻率范圍內(nèi)，在開關頻率所對應的 角頻率的1/10?1/20處，以獲得在開環(huán)截止頻率處較充足的 相位裕量。 另外，在PI調(diào)節(jié)器中增加一個位于開關頻率附近的極點，用 來消除開關過程中產(chǎn)生的噪聲對控制電路的干擾，這樣的 PI 調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)如圖5所示。 Uf * C2 圖5具有濾波功能的PI調(diào)節(jié)器 控制電路的核心是電壓、電流反饋控制信號的設計。為了保

10、證 在系統(tǒng)穩(wěn)定性的前提下提高反應速度，設計了以電壓環(huán)為主的 多重環(huán)路控制技術。電流環(huán)響應負載電流變化，并且有限流功 能。設計電路增加了對輸出電感電流采樣后的差分放大， 隔直 后加入到反饋環(huán)中參與控制，調(diào)節(jié)器增益可通過后級帶電位器 的放大環(huán)節(jié)進行調(diào)節(jié)。這樣電源工作在高精度恒壓狀態(tài)下，輸 出動態(tài)響應，使電源在負載突變的情況下，沒有大的輸出電壓 過沖。 5 提高散熱效果，降低熱阻 為了減小整機體積， 達到合理的功率密度， 采用了強迫風冷方 式。對于風冷散熱器來說， 風速的大小直接關系到散熱效果的 優(yōu)劣。由于要求前后通風，在設計時應考慮： 保證風速達到一定的要求 (V= 6m/s) ，并考慮風壓

11、的影響。當 風壓低于散熱器壓頭損失時， 冷卻風根本就吹不過去或風速很 低，達不到提高散熱率的目的。 由于散熱器及翼片間隙同風道與散熱器間隙有很大差別， 當風 壓過低時，可以在進風口散熱器與風道的間隙間加擋流柵板或 喇叭型的進口，強迫風從散熱器的翼片間流過。 升壓電感、主變壓器、輸出濾波電感成一排固定在散熱器上半 部，主板固定在散熱器下半部 ; 主板上的功率器件如功率開關 管、輸出整流管通過鋼板壓條固定在散熱器上， 主板上半部放 質(zhì)低元器件、 下半部放置高元器件， 風扇放置在散熱器前中上 位置并固定在前面板上，采用前進風后出風方式。 軍用高頻開關電源產(chǎn)品不但要考慮電源本身參數(shù)設計， 還要考

12、 慮電氣設計、電磁兼容設計、 熱設計、結(jié)構(gòu)設計、 安全性設計 和三防設計等方面。 因為任何方面哪怕是最微小的疏忽， 都可 能導致整個電源的崩潰， 所以我們應充分認識到軍用高頻開關 電源產(chǎn)品可靠性設計的重要性。 僅供個人參考 試驗結(jié)果 圖6 DC/DC初級電壓波形（滿載） 圖7 DC/DC次級電壓波形（滿載） 圖8高頻電感電流模擬器波形 從表1可以看出，測試結(jié)果符合協(xié)議的規(guī)定，其中功率因數(shù)、 效率、電源調(diào)整率、負載調(diào)整率、輸出噪聲等參數(shù)優(yōu)于協(xié)議要 求。 k i雋試鮎皋9協(xié)試蟹集時此姣 洛i?琴求 輛人電壓范［U 1 】呂 T 1 > 1 ■ .V

13、.： l ( J * HJ) M - 1 i-I V,n ( 4 ■ H,) 「型事兇數(shù) n.^7 S"n. 電諄調(diào)Jfc率 < ± 0.1% ± i J(h?/% 1仇載側(cè)聲車 空 士 | ± n,2<*S 輸陷怔研粽就PtW酋 壬 unV 2<>dV SVMI 「腿出電壓 "|-3叩化1< j 1 1 JM- 1 'Hi 11 ?S Ss 11 m| 札 l^din iH 1 \ hiiifi 飛甩X itrii / 1 "Phi nr C l；.hkg 卜-丁利右u；- 僅供個人用于學習、研究；不得用于商業(yè)用途 F

14、or personal use only in study and research; not for commercial use. Nur f u r den pers?nlichen f u r Studien, Forschung, zu kommerziellen Zwecken verwendet werden. Pour l ' e tude et la recherche uniquement a des fins personnelles; pas a des fins commerciales. to員bko g^A.nrogeHKO TOpMeno^b3ymoiflCH6yHeHuac^ egoB u HHuefigo^^HM ucno 員 B30BaTbCE b KOMMepqeckux qe 員 ex. 以下無正文