新型模塊式高頻高壓大功率開關(guān)電源的設(shè)計
1、問題的引出
1.1電力電子技術(shù)的發(fā)展
在電力電子技術(shù)中,開關(guān)電源占有重要地位,而現(xiàn)代電力電子技術(shù)的繁榮與開關(guān)電源(特別是高頻開關(guān)電源)的發(fā)展緊密聯(lián)系在一起,則高頻化是現(xiàn)代電力電子技術(shù)焦點之一。但現(xiàn)代高頻開關(guān)電源技術(shù)的進步得力于新理論、新技術(shù)、新器件、新材料的支持。其應(yīng)用空間迅速擴展,除了計算機、電機變頻控制、電悍、電鍍、電感加熱、超聲波加工(清洗)等所用的變流設(shè)備在原有基礎(chǔ)上升級換代外,熒光燈和新型電光源的鎮(zhèn)流器,現(xiàn)代辦公設(shè)備、通訊裝置、運載工具、移動軍事裝置、航空、航天、航海裝置等,都開始將注意力轉(zhuǎn)向以高頻變換為代表的現(xiàn)代電力電子技術(shù),許多新的應(yīng)用領(lǐng)域中其熱點也陸續(xù)發(fā)展并選中高頻開關(guān)電源(DC/AC)。
1.2市場的需要
在上述這些應(yīng)用領(lǐng)域中很重要的是要求高可靠的高頻高壓大功率的開關(guān)電源。根據(jù)現(xiàn)代電力電子技術(shù)關(guān)于高頻電源電路應(yīng)集成化、智能化及模塊化的又一特點,縱觀目前市場,由于國內(nèi)在此方面起步較晚,因而具備這一特點的高可靠高頻大功率開關(guān)電源還處于開發(fā)研制(包括國外廠商在內(nèi))之中,即使有,也只是AC_DC或DC_DC的±48v、±24v等常用通訊用的開關(guān)電源。
面對這新的桃戰(zhàn)和機遇,我們采用了日本聯(lián)美蘭達(NEMIC-LAMBDA)公司產(chǎn)的PF1000A-360型AC/DC功率變換模塊和IPM-4M型全橋式DC/AC高頻大功率變換模塊并將其前后級相連又與高頻大功率脈沖變壓器T等一起組合而成新型模塊式高頻(22-25)KHZ 高壓(100V-120V)大功率(1000W)開關(guān)電源, 并作為信號源(或稱超聲波發(fā)生器)與換能器匹配組合成高聲高強度超聲波管道清洗機。 值此,該新型高頻高壓大功率開關(guān)電源設(shè)計方案作一分析介紹。
2、設(shè)計思想
對高頻高壓大功率開關(guān)電源而言,其程式應(yīng)該由前級AC-DC(市電交流輸入220v變換成直流高壓) 和后級DC-AC(直流高壓逆變成高頻高壓) 兩大主要部分組成。
按目前常規(guī)的設(shè)計,前級AC-DC往往采用市電220v交流輸入經(jīng)整流濾波;而后級采用電源管理IC(電源控制芯片)和全橋大功率管(MOSFTT管或IGBT管) 及脈沖大功率變壓器一起組成的零電壓開通、關(guān)斷的諧振電路(ZVS)拓撲方式來實現(xiàn)DC-AC,見圖1所示。
2.1這種分立組合式的設(shè)計程式對高頻大功率電力電子技術(shù)來說有較大缺陷
首先分析后級DC-AC。雖然電源管理器(控制芯片IC)功能很強,但由于仍屬分立組合,故制作調(diào)試煩瑣,特別是與大功率管連接的功率驅(qū)動部分往往都是小型高頻變壓器與驅(qū)動三極管的合成,所以在負載匹配上經(jīng)常出現(xiàn)由于連線分布電容和電感所形成的尖峰脈沖將擊穿或燒毀;再看前級AC-DC,進行AC-DC, 是將輸入交流的220V市電變換成直流高壓(320V-350V)的大功率變換,若是采用一的般的橋式整流加濾波,則在交流電源一個周期內(nèi),其整個開關(guān)電源只有很短時間從交流電源吸取電流,輸入脈沖電流的峰值很大,它含有非常高的諧波分量(三次諧波尤為突出),由于只有輸入電流的基波分量才能產(chǎn)生有功功率,因此開功率因素很低,同時,諧波電流還會嚴重污染電網(wǎng),并干擾其它設(shè)備。
2、模塊化技術(shù)的應(yīng)用方案是克服上述缺陷的最有效設(shè)計
3.1選用合適功率變換模塊電路
前級AC-DC大功率變換為了提高功率因素,限制電流畸變和諧波,必須必須采用功率因素校正(Power Factor Correction, 簡稱PFC)新技術(shù),即具有諧波和功率因素校正及各種過壓、過流等保護功能的功率變換模塊電路。
據(jù)此,采用了日本NEMIC-LAMBDA公司產(chǎn)的PF-1000要-360型AC-DC大功率變換模塊,將(AC)交流輸入220v成直流(DC)360v. 其PF-1000A-360型AC-DC變換模塊內(nèi)部框圖,見圖2所示。交流輸入220v加到PF功率變換模塊的輸入引腳AC(L火線)和AC(N零線),經(jīng)功率因素和諧波校正后, 從PF模塊的引腳+U0和-Uo輸出。
PF-1000A-360型AC-DC大功率變換模塊簡介:
* 模塊PF-1000A-360型AC-DC變換模塊技術(shù)指標(biāo):其輸入電壓為交流170V—265V,而輸出電壓為直流360V; 輸出為直流電流2.8A-4.2A;輸出功率為1008W-1512W;典型浪涌電流60A;最小功率因素為95%;輸出電壓精度為±2%;
* 模塊的特點: 可實現(xiàn)功率因素和諧波校正,效率高達95%以上。帶有過壓保護、過熱保護和輸入浪涌保護等保護電路。模塊內(nèi)部將功率電路和控制電路集合在一起,使用起來非常方便。
* PF-1000A-360型引腳功能:
IOG-升壓變換器工作監(jiān)視引腳。正常工作時,IOG端為低電平,若IOG端為高電平,表示該模塊出故障。
SG--信號地,在模塊內(nèi)部與負輸出引腳-Uo相連。
ENA--電源“接通” 監(jiān)視引腳, 用于監(jiān)視PF模塊輸出電壓, 當(dāng)PF模塊輸出電壓處于
其正常電平(360VDC)時為低電平。
AUX--輔助電源輸出引腳,在最大輸出電流為10MA時,輸出電壓范圍為12V—20V.
PC--并聯(lián)工作控制引腳,只要直接將該模塊PC引腳與另一模塊的PC引腳相連,則兩個
模塊就可并聯(lián)工作,最多允許五個同功率模塊并聯(lián)。
R1--外接浪涌限流電阻,用它可以限制電源剛接通時的浪涌電流,若不接,則模塊不
應(yīng)正常工作, 實際上R1(4.2Ω/2W)應(yīng)與F3溫度保險絲(250V 2A 130℃) 相串接而成(見圖4所示)。
外形尺寸(長*寬*厚)為:146mm*86mm*125.mm
模塊使用時應(yīng)按裝在散熱板上。
3.2后級DC-AC的設(shè)計
后級DC-AC的設(shè)計,是采用IPM-4M全橋式DC-AC高頻大功率變換模塊,該(DC-AC)IPM—4M 模塊(見圖3所示), 應(yīng)用美國IR公司的功率器件和貼片工藝生產(chǎn)。用戶可以簡單方便地直接利用它或其組合設(shè)計制作、成各類高頻大功率開關(guān)電源。
* 應(yīng)用P1電流檢測,實現(xiàn)恒流控制:
將流過第P1腳的電流感應(yīng)檢波取樣送至第9腳,經(jīng)過調(diào)整送至第8腳可進行恒流控制。
* 具有輔助電源供電流型PWM及輔助保護電路正常工作:
由啟動電源和內(nèi)反饋電源組成,它要求電壓在20-500V范圍內(nèi)能正常工作(一般情況下在交流220V整流后350V-360V直流電壓下工作)。由其模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析所知,它大大減少或克服了后級(DC-AC)分立組合所帶來的制作調(diào)試麻煩和大功率管被擊穿或燒毀等弊病。只需方便的使用模塊的引腳,就可實現(xiàn)功能DC-AC。
為便于應(yīng)用,值此將模塊特點作一介紹:IPM-4M全橋式DC-AC高頻大功率變換模塊特點(見圖3所示)。
* 模塊DC/AC變換方式
*全橋式功率輸出,內(nèi)裝4只MOSFET大功率三極管
*工作頻率可10Hz-150KHz調(diào)節(jié)
*輸出電壓穩(wěn)定可調(diào),改變輸出脈寬值
*適應(yīng)工作電壓范圍寬:20v-500v
*模塊工作電流0-20A
*可作為驅(qū)動器進行大功率擴展
*外形尺寸(長寬厚)為:115mm*66mm*23mm.
* 模塊使用時應(yīng)按裝在散熱板上
IPM-4M模塊輸出引腳使用說明:
*模塊左下角圓點為順序腳P1為第1腳
*P1、DC+正電源輸入:可在20V-500V電壓范圍內(nèi)使用
*P2、AC功率脈沖寬度調(diào)制波輸出:波形極性與P3相反
*P3、AC功率脈沖寬度調(diào)制波輸出:波形極性與P2相反
*P4、DC-負電源輸入(或地端)
*P5、UHO全橋脈沖電流取樣輸出:當(dāng)內(nèi)接取樣電阻0.1Ω時動作電流為4A時,P4和P5之間每并接一只0.1Ω電阻,可使最大工作電流增加4A,注意:視在功率不應(yīng)超過1200VA(P1點電壓乘以流過P1電流)
*P6、RT頻率調(diào)整:此腳懸空時,P2、P3輸出標(biāo)稱頻率(各模塊均有標(biāo)注,本介紹的模塊為22KHz)。當(dāng)P6和P4之間接入100KΩ精密電位器時,改變阻值可使在標(biāo)注頻率f在0—150KHz范圍內(nèi)變化。
*P7、V0光隔離反饋脈寬調(diào)制地電位。
*P8、Vin光隔離反饋脈寬調(diào)制信號輸入:當(dāng)反饋信號大于2.5V時,P2、P3輸出脈沖寬度減小,使反饋信號平衡在2.5V
*P9、P1, 電流檢測信號隔離輸出:在P7、P8、P9之間接微調(diào)電阻(P8接電阻抽頭),調(diào)整它可改變P2、P3輸出或做電流整定。不用時此腳懸空。
*模塊使用時應(yīng)按裝在散熱板上。
由于DC/AC模塊應(yīng)用領(lǐng)域很多,但大多數(shù)都使用到了高頻大功率變壓器,現(xiàn)提供設(shè)計公式和例子
那為什么后級DC-AC要選用IPM-4M全橋式DC-AC高頻大功率變換模塊?通過對該模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析就一目了然,從圖3中可看到:
*具有功能較強的電源管理器電路(電源控制芯片),即電流型PWM及輔助保護電路:
所謂電流型即在比較器的輸入端直接用感應(yīng)到的輸出電流信號與誤差放大器進行比較,來控制輸出的峰值電流跟隨誤差電壓變化。這種控制方式可以改善整個開關(guān)電源電壓和電流的調(diào)整率,改善整個系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)。電流型PWM 還具有重選脈沖抑制電路,消除在一種輸出里出現(xiàn)兩個連續(xù)脈沖的可能性。這對于半橋電路或全橋電路組成的開關(guān)電源能否可靠工作是極為重要的。
* 內(nèi)含IC驅(qū)動電路代替脈沖變壓器隔離:
在半橋電路或全橋電路中高端和低端的驅(qū)動器是不供地的,一般采用脈沖變壓器隔離。當(dāng)頻率在數(shù)Hz到數(shù)百KHz范圍內(nèi)變化時,普通的脈沖變壓器是無法勝任的。而采用IC驅(qū)動電路就不存在上述問題,它的固有死區(qū)能防止產(chǎn)生直通信號,它的圖騰柱電路能吸收橋電路的“米勒效應(yīng)”。
【上一個】 降低開關(guān)電源電磁干擾水平的研究 | 【下一個】 新一代機頂盒與液晶電視用的低價簡易開關(guān)電源的設(shè)計 |
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