機(jī)載高頻開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)研制

機(jī)載高頻開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)品特地用于輸入交流400Hz的場(chǎng)所,這是特意為了滿(mǎn)足軍用雷達(dá)、航空航天、艦船、機(jī)車(chē)以及導(dǎo)彈發(fā)射等特地用處所設(shè)計(jì)的。應(yīng)用戶(hù)請(qǐng)求,研制出機(jī)載高頻開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)品對(duì)電子武器配備系統(tǒng)的國(guó)產(chǎn)化,突破國(guó)際封鎖,進(jìn)步我軍配備的機(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)缺陷,115V/400Hz電源動(dòng)搖小,需求器件的耐壓相對(duì)較高;而28V直流電源卻相反,普通不能直接提供應(yīng)設(shè)備部件運(yùn)用,必需將供電電源停止隔離并穩(wěn)壓成為需求的直流電源才干運(yùn)用。機(jī)載電源的運(yùn)用環(huán)境比擬惡劣,必需順應(yīng)寬范圍溫度正常工作,并能禁受沖擊、震動(dòng)、濕潤(rùn)等應(yīng)力挑選實(shí)驗(yàn),因而設(shè)計(jì)機(jī)載電源的牢靠性給我們提出了更高的請(qǐng)求。下面主要引見(jiàn)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能夠調(diào)理,輸出功率不小于3000W,環(huán)境溫度可寬至-40℃~+55℃,完整順應(yīng)軍品級(jí)電源的需求。

  系統(tǒng)構(gòu)成及主回路設(shè)計(jì)

  它的設(shè)計(jì)主要經(jīng)過(guò)升壓功率因數(shù)校正電路及DC/DC變換電路兩局部完成。115Vac/400Hz中頻交流電源經(jīng)輸入濾波,經(jīng)過(guò)升壓功率因數(shù)校正(PFC)電路完勝利率因數(shù)校正及升壓預(yù)穩(wěn)、能量存儲(chǔ),再經(jīng)過(guò)DC/DC半橋變換、高頻整流濾波器、輸出濾波電路以及反應(yīng)控制回路完成270~380Vdc可調(diào)理輸出穩(wěn)壓的性能請(qǐng)求。

  升壓功率因數(shù)校正電路主要使輸入功率因數(shù)滿(mǎn)足指標(biāo)請(qǐng)求,同時(shí)完成升壓預(yù)穩(wěn)功用。本局部設(shè)計(jì)統(tǒng)籌功率因數(shù)電路到達(dá)0.92的請(qǐng)求,又使DC/DC輸入電壓恰當(dāng),不致使功率因數(shù)校正電路工作擔(dān)負(fù)過(guò)重,因而設(shè)定在330~350Vdc。

  隔離式DC/DC變換器電路拓?fù)錁?gòu)造方式主要有以下幾種: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,不合適本電源的3000W輸出功率請(qǐng)求。全橋拓?fù)涔倘荒茌敵鲚^大的功率,但構(gòu)造相對(duì)較為復(fù)雜。推挽電路構(gòu)造中的開(kāi)關(guān)管電壓應(yīng)力很高,并且在推挽和全橋拓?fù)渲卸伎赡艹尸F(xiàn)單向偏磁飽和,使開(kāi)關(guān)管損壞。而半橋電路由于具有自動(dòng)抗不均衡才能,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)力都比擬適中,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/MOSFET并聯(lián)組合開(kāi)關(guān)技術(shù)和半橋電路均衡控制技術(shù)。經(jīng)過(guò)火析計(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)

  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)電源中的運(yùn)用越來(lái)越普遍,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。

  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D3。

  可用UC2854A控制主開(kāi)關(guān)SWB,其緩沖電路是不需控制的,并且具有電路簡(jiǎn)單的特性。其原理是將二極管DB反向恢復(fù)的能量和SWB關(guān)斷時(shí)貯存在C2中的能量在SWB導(dǎo)通時(shí)轉(zhuǎn)移到C1中。在SWB關(guān)斷時(shí),L1中的儲(chǔ)能向C2充電,并經(jīng)過(guò)D1、D2、D3轉(zhuǎn)移到CB中,同時(shí)也向CB放電,用這種電路完成了零電壓關(guān)斷和零電流導(dǎo)通,有效地減少損耗,進(jìn)步了電路的效率和牢靠性。

  該電路的主要特性是:

  開(kāi)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)值決議。

  開(kāi)關(guān)SWB上最大電流上升率由L1和V1決議,并且導(dǎo)通損耗和應(yīng)力很小。

  開(kāi)關(guān)SWB上最大電壓率由C2決議,并且關(guān)斷功耗和應(yīng)力很小。

  在開(kāi)關(guān)周期中,為取得電流和電壓上升率的控制而貯存在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(wú)損耗工作。

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

  與MOSFET相比,IGBT通態(tài)電壓很低,電流在關(guān)斷時(shí)很快降落到初始值的5%,但減少到零的時(shí)間較長(zhǎng),約1~1.5μs,在硬開(kāi)關(guān)形式下會(huì)招致很大的開(kāi)關(guān)損耗。在組合開(kāi)關(guān)中,并聯(lián)MOSFET在IGBT關(guān)斷1.5μs后,拖尾電流已減少到接近零時(shí)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(duì)較低,普通選取20~40kHz。由于半橋組合開(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,使牢靠性顯著進(jìn)步。

  3半橋電路均衡控制技術(shù)

  經(jīng)過(guò)控制和調(diào)整 IGBT/MOSFET柵驅(qū)動(dòng)的延遲時(shí)間可使半橋均衡,防止變壓器偏磁飽和過(guò)流,燒毀開(kāi)關(guān)管。這在脈沖較寬大時(shí),很容易完成。但當(dāng)輕載或無(wú)載時(shí),脈寬很窄(例如小于0.3μs),此時(shí)的IGBT/MOSFET延遲已取消。因而在窄脈寬時(shí),為堅(jiān)持其均衡,我們采用了一個(gè)低頻振蕩器。當(dāng)脈寬小于0.3μs時(shí),振蕩器起振使PWM發(fā)作器間歇工作,堅(jiān)持脈寬不小于0.3μs,以維持半橋均衡,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。

  4 多重環(huán)路控制電路

  均勻電流形式控制系統(tǒng)采用PI調(diào)理器,需求肯定比例系數(shù)和零點(diǎn)兩個(gè)參數(shù)。調(diào)理器比例系數(shù)KP的計(jì)算準(zhǔn)繩是保證電流調(diào)理器輸出信號(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,以取得在開(kāi)環(huán)截止頻率處較充足的相位裕量。

  另外,在PI調(diào)理器中增加一個(gè)位于開(kāi)關(guān)頻率左近的極點(diǎn),用來(lái)消弭開(kāi)關(guān)過(guò)程中產(chǎn)生的噪聲對(duì)控制電路的干擾。

  控制電路的中心是電壓、電流反應(yīng)控制信號(hào)的設(shè)計(jì)。為了保證在系統(tǒng)穩(wěn)定性的前提下進(jìn)步反響速度,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,并且有限流功用。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,隔直后參加到反應(yīng)環(huán)中參與控制,調(diào)理器增益可經(jīng)過(guò)后級(jí)帶電位器的放大環(huán)節(jié)停止調(diào)理。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)載突變的狀況下,沒(méi)有大的輸出電壓過(guò)沖。

  5進(jìn)步散熱效果,降低熱阻

  為了減小整機(jī)體積,到達(dá)合理的功率密度,采用了強(qiáng)迫風(fēng)冷方式。關(guān)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。由于請(qǐng)求前后通風(fēng),在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)思索:

  保證風(fēng)速到達(dá)一定的請(qǐng)求(V= 6m/s),并思索風(fēng)壓的影響。當(dāng)風(fēng)壓低于散熱器壓頭損失時(shí),冷卻風(fēng)基本就吹不過(guò)去或風(fēng)速很低,達(dá)不到進(jìn)步散熱率的目的。

  由于散熱器及翼片間隙同風(fēng)道與散熱器間隙有很大差異,當(dāng)風(fēng)壓過(guò)低時(shí),能夠在進(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、輸出整流管經(jīng)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,采用行進(jìn)風(fēng)后出風(fēng)方式。

  軍用高頻開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)品不但要思索電源自身參數(shù)設(shè)計(jì),還要思索電氣設(shè)計(jì)、電磁兼容設(shè)計(jì)、熱設(shè)計(jì)、構(gòu)造設(shè)計(jì)、平安性設(shè)計(jì)和三防設(shè)計(jì)等方面。由于任何方面哪怕是最微小的忽略,都可能招致整個(gè)電源的解體,所以我們應(yīng)充沛認(rèn)識(shí)到軍用高頻開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)品牢靠性設(shè)計(jì)的重要性。


2和D3。

  可用UC2854A控制主開(kāi)關(guān)SWB,其緩沖電路是不需控制的,并且具有電路簡(jiǎn)單的特性。其原理是將二極管DB反向恢復(fù)的能量和SWB關(guān)斷時(shí)貯存在C2中的能量在SWB導(dǎo)通時(shí)轉(zhuǎn)移到C1中。在SWB關(guān)斷時(shí),L1中的儲(chǔ)能向C2充電,并經(jīng)過(guò)D1、D2、D3轉(zhuǎn)移到CB中,同時(shí)也向CB放電,用這種電路完成了零電壓關(guān)斷和零電流導(dǎo)通,有效地減少損耗,進(jìn)步了電路的效率和牢靠性。

  該電路的主要特性是:

  開(kāi)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)值決議。

  開(kāi)關(guān)SWB上最大電流上升率由L1和V1決議,并且導(dǎo)通損耗和應(yīng)力很小。

  開(kāi)關(guān)SWB上最大電壓率由C2決議,并且關(guān)斷功耗和應(yīng)力很小。

  在開(kāi)關(guān)周期中,為取得電流和電壓上升率的控制而貯存在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(wú)損耗工作。

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

  與MOSFET相比,IGBT通態(tài)電壓很低,電流在關(guān)斷時(shí)很快降落到初始值的5%,但減少到零的時(shí)間較長(zhǎng),約1~1.5μs,在硬開(kāi)關(guān)形式下會(huì)招致很大的開(kāi)關(guān)損耗。在組合開(kāi)關(guān)中,并聯(lián)MOSFET在IGBT關(guān)斷1.5μs后,拖尾電流已減少到接近零時(shí)才關(guān)斷。


【上一個(gè)】 一種新型的并聯(lián)開(kāi)關(guān)電源的均流方法 【下一個(gè)】 開(kāi)關(guān)電源的沖擊電流控制方法


 ^ 機(jī)載高頻開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)研制