機(jī)載高頻開關(guān)電源的設(shè)計,研制

機(jī)載高頻開關(guān)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(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)計的。應(yīng)用戶要求,研制出機(jī)載高頻開關(guān)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(jī)動性,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,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(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。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、潮濕等應(yīng)力篩選試驗,因此設(shè)計機(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-40℃~+55℃,完全適應(yīng)軍品級電源的需要。

  系統(tǒng)構(gòu)成及主回路設(shè)計

  它的設(shè)計主要通過升壓功率因數(shù)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(yù)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。

  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,同時實現(xiàn)升壓預(yù)穩(wěn)功能。本部分設(shè)計兼顧功率因數(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?fù)潆m然能輸出較大的功率,但結(jié)構(gòu)相對較為復(fù)雜。推挽電路結(jié)構(gòu)中的開關(guān)管電壓應(yīng)力很高,并且在推挽和全橋拓?fù)渲卸伎赡艹霈F(xiàn)單向偏磁飽和,使開關(guān)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(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,采用IGBT/MOSFET并聯(lián)組合開關(guān)技術(shù)和半橋電路平衡控制技術(shù)。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(guān)鍵技術(shù)設(shè)計

  1功率因數(shù)校正技術(shù)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(guān)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。

  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(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D3。

  可用UC2854A控制主開關(guān)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(fù)的能量和SWB關(guān)斷時儲存在C2中的能量在SWB導(dǎo)通時轉(zhuǎn)移到C1中。在SWB關(guān)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(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。

  該電路的主要特點是:

  開關(guān)SWB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。

  開關(guān)SWB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。

  開關(guān)SWB上最大電壓率由C2決定,并且關(guān)斷功耗和應(yīng)力很小。

  在開關(guān)周期中,為獲得電流和電壓上升率的控制而儲存在L1和C2中的能量最終又回到輸出電源中,這樣確保電路真正的無損耗工作。

  2 IGBT/MOSFET并聯(lián)組合開關(guān)技術(shù)

  與MOSFET相比,IGBT通態(tài)電壓很低,電流在關(guān)斷時很快下降到初始值的5%,但減少到零的時間較長,約1~1.5μs,在硬開關(guān)模式下會導(dǎo)致很大的開關(guān)損耗。在組合開關(guān)中,并聯(lián)MOSFET在IGBT關(guān)斷1.5μs后,拖尾電流已減少到接近零時才關(guān)斷。

  這種技術(shù)因通態(tài)損耗很低而使得DC/DC變換器的效率很高。但需工作頻率相對較低,一般選取20~40kHz。由于半橋組合開關(guān)只需兩個開關(guān),總的開關(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(guān)管。這在脈沖較寬大時,很容易實現(xiàn)。但當(dāng)輕載或無載時,脈寬很窄(例如小于0.3μs),此時的IGBT/MOSFET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(dāng)脈寬小于0.3μs時,振蕩器起振使PWM發(fā)生器間歇工作,保持脈寬不小于0.3μs,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(guān)的開關(guān)損耗很小,通態(tài)損耗也很小。

  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(guān)頻率所對應(yīng)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(guān)頻率附近的極點,用來消除開關(guān)過程中產(chǎn)生的噪聲對控制電路的干擾。

  控制電路的核心是電壓、電流反饋控制信號的設(shè)計。為了保證在系統(tǒng)穩(wěn)定性的前提下提高反應(yīng)速度,設(shè)計了以電壓環(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(jìn)行調(diào)節(jié)。這樣電源工作在高精度恒壓狀態(tài)下,輸出動態(tài)響應(yīng),使電源在負(fù)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(jī)體積,達(dá)到合理的功率密度,采用了強(qiáng)迫風(fēng)冷方式。對于風(fēng)冷散熱器來說,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)計時應(yīng)考慮:

  保證風(fēng)速達(dá)到一定的要求(V= 6m/s),并考慮風(fēng)壓的影響。當(dāng)風(fēng)壓低于散熱器壓頭損失時,冷卻風(fēng)根本就吹不過去或風(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)壓過低時,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。

  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(guān)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(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。

  軍用高頻開關(guān)電源產(chǎn)品不但要考慮電源本身參數(shù)設(shè)計,還要考慮電氣設(shè)計、電磁兼容設(shè)計、熱設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、安全性設(shè)計和三防設(shè)計等方面。因為任何方面哪怕是最微小的疏忽,都可能導(dǎo)致整個電源的崩潰,所以我們應(yīng)充分認(rèn)識到軍用高頻開關(guān)電源產(chǎn)品可靠性設(shè)計的重要性。


2和D3。

  可用UC2854A控制主開關(guān)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(fù)的能量和SWB關(guān)斷時儲存在C2中的能量在SWB導(dǎo)通時轉(zhuǎn)移到C1中。在SWB關(guān)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(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。

  該電路的主要特點是:

  開關(guān)SWB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。

  開關(guān)SWB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。

  開關(guān)SWB上最大電壓率由C2決定,并且關(guān)斷功耗和應(yīng)力很小。

  在開關(guān)周期中,為獲得電流和電壓上升率的控制而儲存在L1和C2中的能量最終又回到輸出電源中,這樣確保電路真正的無損耗工作。

  2 IGBT/MOSFET并聯(lián)組合開關(guān)技術(shù)

  與MOSFET相比,IGBT通態(tài)電壓很低,電流在關(guān)斷時很快下降到初始值的5%,但減少到零的時間較長,約1~1.5μs,在硬開關(guān)模式下會導(dǎo)致很大的開關(guān)損耗。在組合開關(guān)中,并聯(lián)MOSFET在IGBT關(guān)斷1.5μs后,拖尾電流已減少到接近零時才關(guān)斷。


【上一個】 開關(guān)電源的沖擊電流控制方法 【下一個】 CMOS求和比較器在PWM開關(guān)電源控制中的應(yīng)用


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