開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)機(jī)載高頻開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)

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1、開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì) 機(jī)載高頻開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì) 機(jī)載高頻開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)品專門用于輸入交流 400Hz的場(chǎng)合，這是 特意為了滿足軍用雷達(dá)、航空航天、艦船、機(jī)車以及導(dǎo)彈發(fā)射 等專門用途所設(shè)計(jì)的。應(yīng)用戶要求，研制出機(jī)載高頻開(kāi)關(guān)電源 產(chǎn)品對(duì)電子武器裝備系統(tǒng)的國(guó)產(chǎn)化，打破國(guó)際封鎖，提高我軍 裝備的機(jī)動(dòng)性，高性能都有重要的意義。 機(jī)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(diǎn)， 115V/400HZ電源波動(dòng)小，需要器件的耐壓相對(duì)較高；而28V直 流電源卻相反，一般不能直接提供給設(shè)備部件使用， 必須將供 電電源進(jìn)行隔離并穩(wěn)壓成為需要的直流電源才能使用。

2、機(jī)載電 源的使用環(huán)境比較惡劣，必須適應(yīng)寬范圍溫度正常工作，并能 經(jīng)受沖擊、震動(dòng)、潮濕等應(yīng)力篩選試驗(yàn)，因此設(shè)計(jì)機(jī)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(kāi)關(guān)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(yīng)軍品級(jí)電源的需要。 系統(tǒng)構(gòu)成及主回路設(shè)計(jì) 僅供個(gè)人參考 For pers onal use only in study and research; not for commercial use 圖1所示為整機(jī)電路原理框圖。它的設(shè)計(jì)主要通過(guò)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(guò)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(yù)穩(wěn)、能量存儲(chǔ)，再通過(guò)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(shí)現(xiàn) 270?380Vdc可調(diào)節(jié)輸出穩(wěn)壓的性能要求。 圖1整機(jī)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(biāo)要求， 同 時(shí)實(shí)現(xiàn)升壓預(yù)穩(wěn)功能。本部分設(shè)計(jì)兼顧功率因數(shù)電路達(dá)到 0.92的要求，又使DC/DC輸入電壓適當(dāng)，不致使功率因數(shù)校 正電路工作負(fù)擔(dān)過(guò)重，因此設(shè)定在 330?350Vdc。 隔離式DC/DC變換器電路拓?fù)浣Y(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?fù)渲饕獞?yīng)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(duì)較為復(fù)雜。推挽電路結(jié) 構(gòu)中的開(kāi)關(guān)管電壓應(yīng)力很咼，并且在推挽和全橋拓?fù)渲卸伎赡?出現(xiàn)單向偏磁飽和，使開(kāi)關(guān)管損壞。而半橋電路因?yàn)榫哂凶詣?dòng) 抗不平衡能力，而且相對(duì)較為簡(jiǎn)單，開(kāi)關(guān)管數(shù)量較少且電壓電 流應(yīng)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(shè)計(jì)，采用IGBT/MOSFE并 聯(lián)組合開(kāi)關(guān)技術(shù)和半橋電路平衡控制技術(shù)。經(jīng)過(guò)分析計(jì)算，采 用雙E65磁芯，初級(jí)線圈12匝，次級(jí)繞組圈15匝。 關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)

5、 1功率因數(shù)校正技術(shù)和無(wú)源無(wú)耗緩沖電路 具有正弦波輸入電流的單相輸入個(gè)功率因數(shù)校正電路在開(kāi)關(guān) 電源中的使用越來(lái)越廣泛，圖2所示為升壓功率因數(shù)校正和無(wú) 源無(wú)耗緩沖電路。 圖2功率因數(shù)校正和新型的無(wú)源無(wú)耗緩沖電路 僅供個(gè)人參考 采用無(wú)源無(wú)耗緩沖電路，元件全部采用 L、C、D 等無(wú)源器件， 既有零電流導(dǎo)通特性， 又有零電壓關(guān)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(kāi)關(guān)SWB其緩沖電路是不需控制的，并 且具有電路簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。其原理是將二極管 DB反向恢復(fù)的能 量和SW關(guān)斷時(shí)儲(chǔ)存在C2中的

6、能量在SWB導(dǎo)通時(shí)轉(zhuǎn)移到C1 中。在SWBI斷時(shí)，L1中的儲(chǔ)能向C2充電，并通過(guò)D1、D2、 D3轉(zhuǎn)移到CB中，同時(shí)也向CB放電，用這種電路實(shí)現(xiàn)了零電 壓關(guān)斷和零電流導(dǎo)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(diǎn)是： 開(kāi)關(guān)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(guān)值決定。 開(kāi)關(guān)SW上最大電流上升率由L1和V1決定，并且導(dǎo)通損耗和 應(yīng)力很小。 開(kāi)關(guān)SW上最大電壓率由C2決定，并且關(guān)斷功耗和應(yīng)力很小。 在開(kāi)關(guān)周期中，為獲得電流和電壓上升率的控制而儲(chǔ)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(wú)損耗工作。 2 IGBT/MOSFE■并聯(lián)組合開(kāi)關(guān)技術(shù) 圖3所示為IGBT/MOSFE并聯(lián)組合開(kāi)關(guān)電路及工作波形圖。與 MOSFE相比，IGBT通態(tài)電壓很低，電流在關(guān)斷時(shí)很快下降到 初始值的5%但減少到零的時(shí)間較長(zhǎng)，約1?1.5卩s,在硬開(kāi) 關(guān)模式下會(huì)導(dǎo)致很大的開(kāi)關(guān)損耗。在組合開(kāi)關(guān)中，并聯(lián)MOSFET 在IGBT關(guān)斷1.5卩s后，拖尾電流已減少到接近零時(shí)才關(guān)斷。 ywilch 圖3 IGBT/MOSFE■并聯(lián)組合開(kāi)關(guān)電路及工作波形圖 這種技術(shù)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(duì)較低，一般選取20?40kHN由于

8、半橋組合開(kāi) 關(guān)只需兩個(gè)開(kāi)關(guān)，總的開(kāi)關(guān)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(shù) 通過(guò)控制和調(diào)整IGBT/MOSFET柵驅(qū)動(dòng)的延遲時(shí)間可使半橋平 衡，避免變壓器偏磁飽和過(guò)流，燒毀開(kāi)關(guān)管。這在脈沖較寬大 時(shí)，很容易實(shí)現(xiàn)。但當(dāng)輕載或無(wú)載時(shí)，脈寬很窄 （例如小于 0.3 口 s），此時(shí)的IGBT/MOSFE延遲已取消。因此在窄脈寬時(shí)， 為保持其平衡，我們采用了一個(gè)低頻振蕩器。當(dāng)脈寬小于 0.3 口 s時(shí)，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(wú)載時(shí)能正常工作。 由于工作頻率較低，組合開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)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(diǎn)兩個(gè)參數(shù)。調(diào)節(jié)器比例系數(shù) KP的計(jì)算原則是保證電流調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)的上升階段斜率比鋸齒波斜率小， 這樣電流環(huán)才 會(huì)穩(wěn)定。零點(diǎn)選擇在較低的頻率范圍內(nèi)，在開(kāi)關(guān)頻率所對(duì)應(yīng)的 角頻率的1/10?1/20處，以獲得在開(kāi)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(gè)位于開(kāi)關(guān)頻率附近的極點(diǎn)，用 來(lái)消除開(kāi)關(guān)過(guò)程中產(chǎn)生的噪聲對(duì)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(hào)的設(shè)計(jì)。為了保

10、證 在系統(tǒng)穩(wěn)定性的前提下提高反應(yīng)速度，設(shè)計(jì)了以電壓環(huán)為主的 多重環(huán)路控制技術(shù)。電流環(huán)響應(yīng)負(fù)載電流變化，并且有限流功 能。設(shè)計(jì)電路增加了對(duì)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(guò)后級(jí)帶電位器 的放大環(huán)節(jié)進(jìn)行調(diào)節(jié)。這樣電源工作在高精度恒壓狀態(tài)下，輸 出動(dòng)態(tài)響應(yīng)，使電源在負(fù)載突變的情況下，沒(méi)有大的輸出電壓 過(guò)沖。 5 提高散熱效果，降低熱阻 為了減小整機(jī)體積， 達(dá)到合理的功率密度， 采用了強(qiáng)迫風(fēng)冷方 式。對(duì)于風(fēng)冷散熱器來(lái)說(shuō)， 風(fēng)速的大小直接關(guān)系到散熱效果的 優(yōu)劣。由于要求前后通風(fēng)，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮： 保證風(fēng)速達(dá)到一定的要求 (V= 6m/s) ，并考慮風(fēng)壓

11、的影響。當(dāng) 風(fēng)壓低于散熱器壓頭損失時(shí)， 冷卻風(fēng)根本就吹不過(guò)去或風(fēng)速很 低，達(dá)不到提高散熱率的目的。 由于散熱器及翼片間隙同風(fēng)道與散熱器間隙有很大差別， 當(dāng)風(fēng) 壓過(guò)低時(shí)，可以在進(jìn)風(fēng)口散熱器與風(fēng)道的間隙間加擋流柵板或 喇叭型的進(jìn)口，強(qiáng)迫風(fēng)從散熱器的翼片間流過(guò)。 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(kāi)關(guān) 管、輸出整流管通過(guò)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(fēng)扇放置在散熱器前中上 位置并固定在前面板上，采用前進(jìn)風(fēng)后出風(fēng)方式。 軍用高頻開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)品不但要考慮電源本身參數(shù)設(shè)計(jì)， 還要考

12、 慮電氣設(shè)計(jì)、電磁兼容設(shè)計(jì)、 熱設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、 安全性設(shè)計(jì) 和三防設(shè)計(jì)等方面。 因?yàn)槿魏畏矫婺呐率亲钗⑿〉氖韬觯?都可 能導(dǎo)致整個(gè)電源的崩潰， 所以我們應(yīng)充分認(rèn)識(shí)到軍用高頻開(kāi)關(guān) 電源產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)的重要性。 僅供個(gè)人參考 試驗(yàn)結(jié)果 圖6 DC/DC初級(jí)電壓波形（滿載） 圖7 DC/DC次級(jí)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(cè)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(fù)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(shí)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(gè)人用于學(xué)習(xí)、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(wú)正文