輔助電源單板硬件詳細(xì)設(shè)計

1、. 單板設(shè)計規(guī)范艾默生網(wǎng)絡(luò)能源規(guī)范編碼：版 本： V5.0密 級：機密生效日期：頁 數(shù)：20 輔助電源單板硬件詳細(xì)設(shè)計項 目 名 稱：_Paradigm_項目編號：_審 核(項目經(jīng)理)：_日 期：_批 準(zhǔn)(開發(fā)經(jīng)理)：_日 期：_更 改 信 息 登 記 表規(guī)范名稱: 單板設(shè)計 規(guī)范 規(guī)范編碼:版本更改原因更改說明更改人更改時間1.0原始設(shè)計原始設(shè)計謝力華2002/8/172.0CAD室多個器件封裝錯誤導(dǎo)致PCB板無法使用謝力華2002/09/263.0優(yōu)化謝力華2002/11/265.0系統(tǒng)要求能夠缺零啟動謝力華2003/05/26單板設(shè)計項目總目錄(沒有涉及的部分就不出現(xiàn))編號單板設(shè)計項目備

2、注1原理圖2電路設(shè)計計算書3PCB布局及其工藝方案摘要：（簡述本單板對應(yīng)的整機及在整機中的作用） 輔助電源為一反激式DC/DC變換器，為整機提供工作電源。關(guān)鍵詞： 輔助電源、反激變換艾默生網(wǎng)絡(luò)能源有限公司文檔編號版本密級機密共 頁UHW241M5單板原理圖 項目名稱:_ 項 目 編 號_ 擬 制：-日 期：- 審 核：-日 期：- 1. PARADIGM UPS系統(tǒng)單機供電原理框圖Paradigm UPS系統(tǒng)單機電源采用集中式供電，由輔助電源單元將主路輸入、旁路輸入、母線輸入變換為+15V，-15V， +24V(與其它兩路隔離)三路輸出供給機內(nèi)相關(guān)單元直接采用，或相關(guān)單元根據(jù)自己的需求(隔離或

3、變壓)再進(jìn)行二次變換。為了提高供電的可靠性，每個單機的輔助電源模塊采用完全相同的兩塊單板輸出并聯(lián)冗余。同時為保證系統(tǒng)具有電池冷啟動功能，輸出并聯(lián)的兩個電源板分別掛接在正負(fù)母線上。2. 原理說明輔助電源單板的功能是為整個UPS系統(tǒng)提供工作電源。輔助電源的輸入取電部分放在EMI轉(zhuǎn)接板上進(jìn)行了處理，這樣容易兼顧兩塊輔助電源的一致性，即當(dāng)系統(tǒng)中的兩塊電源板分別從正負(fù)母線取電時而不會導(dǎo)致兩塊輔助電源板的設(shè)計不同。輔助電源分別從主路(半波整流)、旁路(半波整流)以及直流母線取電，任何一點有電都可以保證輔助電源的正常工作。三處的取電在EMI轉(zhuǎn)接板上進(jìn)行了綜合，然后接到輔助電源的輸入。正常時接入的直流電壓大約

4、為400V左右，400V左右的直流電壓經(jīng)過隔離變換，得到所需的+24V、+15V、-15V輸出。其中，+24V的輸出和其它路的輸出是相互隔離的。故障檢測部分對輸出電壓進(jìn)行了實時的檢測，及時的故障上報，保證了系統(tǒng)的安全性。3. 電氣原理圖（注意：本電路圖參數(shù)必須與電路設(shè)計計算書和熱設(shè)計計算書一致）:艾默生網(wǎng)絡(luò)能源有限公司文檔編號版本密級機密共 頁輔助電源單板設(shè)計計算書 項目名稱：_ 項 目 編 號:_ 擬 制：-日 期：- 審 核：-日 期：- 關(guān)鍵詞：摘 要： 一、設(shè)計遵從的規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)或依據(jù) Paradigm規(guī)格書. Paradigm UPS總體設(shè)計方案 S0A03<器件選用規(guī)范>

5、二、單板技術(shù)條件( 即本功能電路的設(shè)計指標(biāo)，輸入條件，輸出條件，實現(xiàn)的主要目的)電路設(shè)計指標(biāo)：工作頻率：55KHZ電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用雙管雙反激式結(jié)構(gòu)，以較低的成本實現(xiàn)多路輸出，工作方式隨負(fù)載條件變化。輸出電壓等級：（1）輸入電壓范圍： 直流： 145VDC500VDC交流：110VAC360VAC（2）功率需求：+15V-15V+24V需求功率50W8W50W設(shè)計功率60W10W55W但存在以下幾種特殊情況：（a）輔助電源在輸入低壓150VDC(110VAC)時，輸出功率需要和正常工作時不同。在低壓時，這時的電池繼電器不會吸合，14個IGBT（整流、逆變及電池的充放電）及輸出SCR不用驅(qū)動，這樣

6、最少可以減少1A的電流輸出。即在低壓時，輔助電源最多僅需提供的功率為： +15V 34W -15V 7 W+24V 20W總計：61W所以輔助電源在低壓輸入時，僅需最大提供61W的功率即可。設(shè)計提供功率為：+15V 35W -15V 10 W+24V 25W總計：70W（b）實際使用中，一旦系統(tǒng)的整流器工作后，直流母線就會達(dá)到800VDC，這時的輔助電源的輸入就可以達(dá)到近400VDC。其他功能：電源故障檢測與保護(hù)。三、計算說明書1 直流工作點計算 按照輸入電壓最低為110VDC設(shè)計，規(guī)定此時的導(dǎo)通比為0.45，輸入電流計算： 平均值：設(shè)峰值電流為，剛開通時電流為，取，原邊輸入電流峰值為： 原邊

7、電感量應(yīng)為： 2 變壓器設(shè)計根據(jù)輔助電源板在系統(tǒng)中位置，變壓器的散熱狀態(tài)為弱風(fēng)冷狀態(tài)，線徑選擇的標(biāo)準(zhǔn)是4A/mm2，考慮到集膚效應(yīng)，線徑不應(yīng)大于0.55mm。PC40材料飽和磁導(dǎo)率0.35T，取。用EE42磁芯，。原邊取33匝。+15V繞組：+15V繞組取9匝同理：-15V繞組取9匝；+24V繞組取15匝；+18V饋電繞組取11匝。實際設(shè)計可以取變壓器的原邊電感量：L(14)=0.3mH副邊繞組匝數(shù)與電流：+15V： 匝數(shù)9匝。 繞組輸出平均電流為：滿載時副邊電流的波形系數(shù)： 電流的有效值和峰值很大程度上依賴于變壓器繞組間漏感，這里的計算與實際會有一定的差距。計算結(jié)果只作為設(shè)計的初始依據(jù)，根據(jù)

8、實驗結(jié)果再做調(diào)整。假設(shè)各輸出繞組的波形系數(shù)與+15V繞組相同(最嚴(yán)重情況)。 +24V繞組：由于+15V繞組取9匝，+24V繞組取15匝。 -15V繞組：取9匝。自饋電繞組：取11匝。 繞組輸出電流與線徑：原邊+15V-15V+24V+18V電流有效值1.6 A5.1A1A3.23A0.14A選擇線徑0.4mm4股并繞0.4mm8股并繞0.4 mm3股并繞0.4mm8股并繞0.3mm4股并繞匝數(shù)339915113 器件應(yīng)力計算與器件選擇 電路器件的選擇原則：在可以接受的范圍內(nèi)，盡可能的選擇公司已有器件。3.1 輸入整流器件(EMI轉(zhuǎn)接板) 系統(tǒng)啟動時，由市電供電時，考慮最嚴(yán)重情況，輸入電壓為1

9、10VAC時（單相供電），系統(tǒng)啟動功率約為60W，流過輸入整流二極管的電流有效值為： 系統(tǒng)輸入正常時，由于直流母線電壓為400V，輔助電源基本從直流母線取電，直流母線電壓的變化范圍為400V左右，這時的電流約為0.40A。 整流二極管額定可流通電流額定值取為實際工作時電流有效值的兩倍，耐壓考慮旁路和主路反相時最壞情況為576V，考慮裕量并結(jié)合公司現(xiàn)有物料選用1000V二極管UF5408兩只串聯(lián)，額定參數(shù)為：3A/1000V。正弦半波允許電流平均值為3A，允許電流有效值為3*1.57=4.8A?？蓾M足要求,并具有強的抗浪涌能力，直流母線隔離采用同樣的二極管。3.2 緩沖電阻為將輸入浪涌電流限制在

10、額定范圍以內(nèi)，在輸入電路中串入緩沖電阻15歐姆。在最高輸入電壓下，輸入浪涌電流可限制在34A以內(nèi)。同時也可以減小旁路供電或主路供電時，另一路突然切入時的沖擊。 3.3 輸入濾波電容 輸入濾波電容： 為保證輸出穩(wěn)壓精度，并考慮電容的耐壓值，用兩個270uF/400V電容串聯(lián)。平衡電阻選用200k/2W電阻，單只電阻功耗為0.2W，承受最大電壓320V，滿足降額要求。 3.4 主開關(guān)管開關(guān)應(yīng)力 雙開關(guān)雙反激電路單管承受的最高電壓為母線電壓加上續(xù)流二極管正向恢復(fù)電壓： 式中VLP為續(xù)流二極管正向恢復(fù)的電壓尖峰。 選用MOSFET單管STW8NB90，額定參數(shù)為8A/900V， 在結(jié)溫為100時承受的

11、最大連續(xù)電流值不小于5A。3.5 續(xù)流二極管的選擇 流過二極管的電流峰值為原邊電流峰值為3.42A。二極管承受電壓為母線電壓，最高為500V?，F(xiàn)選用二極管BYV26E，額定參數(shù)為1A/1000V?？芍貜?fù)峰值電流承受力為6A。3.6 開關(guān)緩沖電路計算 為降低管子開關(guān)過程中的振蕩，開關(guān)漏源之間并聯(lián)RCD緩沖。電容取470PF。電阻的取值考慮RC時間常數(shù)小于管子最小開通時間。電阻取200/3W兩只并聯(lián)，最大功耗為：3.7 整流二極管 整流二極管承受的最大反向電壓為：實際選取考慮電壓降額及電流電流降額，選擇管子及其額定值為： +15V-15V+18V+24V選用管子APT15D60KAPT15D60K

12、BYV26EAPT15D60K額定值16A/600V16A/600V1A/1000V 16A/600V3.8 輸出并聯(lián)二極管的選擇 兩塊電源板并聯(lián)，每塊板子的輸出端加二極管，以保證一塊電源板損壞時能自動退出供電。并聯(lián)二極管對耐壓的要求較低，對輸出電壓考慮適當(dāng)降額即可，為降低損耗，首選肖特基二極管。+15V-15V+24VMBR2045MBR2045MBR204520A/45V 20A/45V20A/45V3.9 輸出濾波電容選擇 輸出濾波電容值的選取應(yīng)考慮輸出紋波，電容發(fā)熱和電容供電的維持時間。電容的取值對動態(tài)性能有很大影響。輔助電源的負(fù)載沒有大的突變，電容的選擇主要考慮供電的穩(wěn)定性。Para

13、digm UPS在電源進(jìn)線處都有電容濾波，且交流取電采用三相半波的方式，因此，輔助電源板的電容不必取很大。主要考慮電壓紋波和電容發(fā)熱情況。 為了滿足輸出紋波電壓： 假設(shè)各路輸出紋波電壓均小于1%,各路所需電容值為：+15V+24V-15V16.3m46.2m88m最后選取電容為：+15V-15V+24V自饋電2200u35V兩只并聯(lián)220u35V兩只并聯(lián)1000u35V兩只并聯(lián)100u50V 兩只并聯(lián)4 電路損耗計算 正常工作時輸入電壓為直流400VDC，輸出功率120W，輸入電流平均值為：平均值： 原邊輸入電流峰值為： 電流有效值為： 為原邊電感電流脈動值與峰值之比。4.1 啟動電阻損耗4.

14、2 開關(guān)管緩沖電阻的損耗與計算 緩沖電路采用RCD吸收，電容選擇1000V，470PF。緩沖電路的工作過程為，當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時，管子原邊漏感儲存的能量向管子電容和緩沖電容轉(zhuǎn)移，若電容電壓達(dá)到母線電壓時能量仍未釋放完畢，續(xù)流二極管將開通，否則管子不導(dǎo)通。首先核算高壓下緩沖電路損耗： 緩沖電容上在續(xù)流二極管開通前可儲存能量為3.5W，考慮降額可以取額定功耗為4W的電阻。電阻的阻值考慮在開關(guān)最小導(dǎo)通比情況下，電容儲存能量可放完畢，電阻取200歐/2W兩只并。4.3 開關(guān)管損耗與散熱器選擇 容性開通損耗 管子輸出電容為：336PF. 通態(tài)損耗：兩只管子串聯(lián)，管子通態(tài)電阻在25度時最大值為1.45歐。 關(guān)

15、斷損耗：管子關(guān)斷時間為100nS。 總損耗為： 4.4 輸出整流二極管損耗計算4.4.1 損耗的理論計算 二極管的模型可等效為恒壓源和電阻的串聯(lián)，恒壓源的電壓為，電阻為。已知二極管電流波形，電流平均值，有效值，二極管的損耗為： 二極管的模型： 1. FEP16DT 結(jié)溫為100度，峰值電流為20A時，管子的物理模型為：，=(0.9-0.5)/20=0.02 2. MBR2045 只做并聯(lián)二極管，模型為電壓源：，當(dāng)Id=4A 二極管的損耗主要由通態(tài)損耗，反向恢復(fù)損耗和反向漏電流損耗組成。反向漏電流損耗可以忽略，反向恢復(fù)損耗較難計算。這里只能計算通態(tài)損耗，如下表：+15V-15V+24V電流平均值

16、/有效值3A/4.2A0.67A/1A4A/5.5A整流二極管/并聯(lián)二極管功耗1.85W/0.6W0.32W/0.13W1.85W/2.37W 輸出二極管總損耗為： 以上計算不含二極管的開關(guān)損耗和反向漏電流損耗，且是在結(jié)溫100度條件下計算，這會使計算損耗偏小。因此,把計算損耗乘以修正系數(shù)1.5倍，損耗為11W作為選擇散熱器的依據(jù)。4.5 散熱器的核算（該部分借用原UL33的設(shè)計計算書） 根據(jù)電路的布局，原邊兩只開關(guān)管和副邊+15V和+24V兩只整流二極管共用一個散熱器，+15V和+24V兩路的并聯(lián)二極管各用一片散熱器。根據(jù)我們的計算與實驗結(jié)果，原邊開關(guān)管功耗共有5.2W，副邊+15V和+24

17、V兩只整流二極管損耗共有7.7W。因此散熱器需散熱量13W，+15V和+24V兩路的并聯(lián)二極管散熱器需散熱量共2.6W，基于以上數(shù)據(jù)核算散熱器熱阻： 散熱器的對流換熱面積： 散熱器處的風(fēng)速按1米/秒考慮（200LFM） 雷諾數(shù)： 對流換熱系數(shù)： 傳導(dǎo)熱阻： 對流熱阻： 輻射熱阻：散熱器表面的輻射系數(shù)按0.9考慮，環(huán)境溫度取40度考慮： 散熱器表面溫度按照40度來考慮，該散熱器的最大散熱量為： 4.6 變壓器的損耗與溫升 變壓器的損耗主要由銅損和鐵損組成。當(dāng)變壓器達(dá)到熱平衡時，線包和磁芯之間由于有熱的不良導(dǎo)體骨架，兩者的溫升可能不同。 銅損主要由導(dǎo)線電流的直流損耗和渦流損耗決定。隨著線包的溫升增

18、加，導(dǎo)線直流電阻增大，渦流損耗占銅損絕大部分，但渦流損耗難以計算。 變壓器的鐵損與選用的磁芯材料有關(guān)，損耗主要由工作頻率和磁密決定?，F(xiàn)選用的磁芯材料為國產(chǎn)R2KBD。該材料為錳鋅鐵氧體，飽和磁密為510mT，溫度為60 ，工作磁密為0.2T，工作頻率25KHz時，損耗因子為90KW/M3。 以下我們對變壓器損耗進(jìn)行粗略估算： 現(xiàn)選擇EE42c型磁芯，磁芯體積為20.4CM3，工作頻率60KHZ，工作磁密0.2T，簡單的認(rèn)為鐵損與頻率成線形關(guān)系，變壓器鐵損應(yīng)為： 假設(shè)變壓器鐵損與銅損相等： 變壓器總損耗為8.8W。 5.控制電路設(shè)計5.1 控制器結(jié)構(gòu) 電路采用UC3844作為控制芯片，內(nèi)部采用瞬

19、時值電流控制方法，電流反饋電阻取0.25。為實現(xiàn)原副邊隔離，反饋取樣經(jīng)TL431和光耦傳遞到原邊，調(diào)節(jié)器由TL431外加阻容網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。5.2 調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)與參數(shù)設(shè)計調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)采用比例-積分調(diào)節(jié)器，參數(shù)由實驗確定，保證有足夠的穩(wěn)定裕度。 6 輔助電源的輸入設(shè)計(EMI轉(zhuǎn)接板)為保證供電的可靠性，輔助電源采用三點供電：主路、旁路或直流母線任一點有電都可以保證輔助電源順利啟動，三路之間通過二極管隔離。為保證系統(tǒng)的可靠性及系統(tǒng)的電池冷啟動的功能，兩塊輔助電源分別掛接在正負(fù)母線上，主路和旁路輸入相應(yīng)地分別采用半波整流的形式。其輸入形式如圖所示。其中，每路的二極管均采用兩個串聯(lián)的形式是為了提高二極管的耐壓，

20、這樣保證了每路二極管的耐壓可以達(dá)到2000V。可以經(jīng)受線線之間的差模2000V。輔助電源輸入取電綜合 7 輸出故障檢測電路設(shè)計 電路原理圖為： 輸入故障檢測電路的設(shè)計思路為，以并聯(lián)二極管陰極電壓作為檢測電路的工作電壓，檢測并聯(lián)二極管陽極電壓的幅值。由兩個TL431組成窗口比較器，當(dāng)輔助電源電壓幅值處于正常范圍之內(nèi)，Q5關(guān)斷；當(dāng)輔助電源電壓處于異常范圍時，故障信號變高上送DSP板。 艾默生網(wǎng)絡(luò)能源有限公司文檔編號版本密級機密共 頁 輔助電源單板PCB布局及工藝方案項目名稱：_ 項目編碼：_ 擬 制：_日 期：_ 審 核：_日 期：_1 引用標(biāo)準(zhǔn)和資料TS-S0E0299001 PCB設(shè)計工藝規(guī)范2 一般要求2.1 滿足電氣性能要求。2.2 滿足工藝結(jié)構(gòu)及器件布局的合理性要求。2.3 滿足安全標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定要求。2.4 滿足抗干擾要求：不單獨測試。2.5 滿足元器件的散熱