開關電源設計機載高頻開關電源設計

1、開關電源設計 機載高頻開關電源設計機載高頻開關電源產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、航空航天、艦船、機車以及導彈發(fā)射 等專門用途所設計的。應用戶要求，研制出機載高頻開關電源 產品對電子武器裝備系統(tǒng)的國產化，打破國際封鎖，提高我軍 裝備的機動性，高性能都有重要的意義。機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備部件使用，必須將供電電源進行隔離并穩(wěn)壓成為需要的直流電源才能使用。機載電 源的使

2、用環(huán)境比較惡劣，必須適應寬范圍溫度正常工作，并能 經受沖擊、震動、潮濕等應力篩選試驗，因此設計機載電源的 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電源，它的輸出電壓270380Vdc可以調節(jié)，輸出功率不小于 3000W環(huán)境溫度可寬至 -40C+55C，完全適應軍品級電源的需要。系統(tǒng)構成及主回路設計僅供個人參考For pers onal use only in study and research; not for commercial use圖1所示為整機電路原理框圖。它的設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。115

3、Vac/400Hz中 頻交流電源經輸入濾波，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) 270380Vdc可調節(jié)輸出穩(wěn)壓的性能要求。圖1整機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)滿足指標要求，同時實現(xiàn)升壓預穩(wěn)功能。本部分設計兼顧功率因數(shù)電路達到0.92的要求，又使DC/DC輸入電壓適當，不致使功率因數(shù)校 正電路工作負擔過重，因此設定在 330350Vdc。隔離式DC/DC變換器電路拓撲結構形式主要有以下幾種：正激、反激、全橋、半橋和推挽。反激和正激拓撲主要應用在中小功率電源中，

4、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，但結構相對較為復雜。推挽電路結 構中的開關管電壓應力很咼，并且在推挽和全橋拓撲中都可能 出現(xiàn)單向偏磁飽和，使開關管損壞。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，開關管數(shù)量較少且電壓電 流應力都比較適中，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計，采用IGBT/MOSFE并 聯(lián)組合開關技術和半橋電路平衡控制技術。經過分析計算，采 用雙E65磁芯，初級線圈12匝，次級繞組圈15匝。關鍵技術設計1功率因數(shù)校正技術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 電源中的使用

5、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。圖2功率因數(shù)校正和新型的無源無耗緩沖電路僅供個人參考采用無源無耗緩沖電路，元件全部采用 L、C、D 等無源器件， 既有零電流導通特性， 又有零電壓關斷特性， 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空制主開關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反向恢復的能量和SW關斷時儲存在C2中的能量在SWB導通時轉移到C1 中。在SWBI斷時，L1中的儲能向C2充電，并通過D1、D2、 D3轉移到CB中，同時也向CB放電，用這種

6、電路實現(xiàn)了零電 壓關斷和零電流導通， 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的相關值決定。開關SW上最大電流上升率由L1和V1決定，并且導通損耗和 應力很小。開關SW上最大電壓率由C2決定，并且關斷功耗和應力很小。在開關周期中，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/MOSFE并聯(lián)組合開關技術圖3所示為IGBT/MOSFE并聯(lián)組合開關電路及工作波形圖。與 MOSFE相比，

7、IGBT通態(tài)電壓很低，電流在關斷時很快下降到 初始值的5%但減少到零的時間較長，約11.5卩s,在硬開 關模式下會導致很大的開關損耗。在組合開關中，并聯(lián)MOSFET 在IGBT關斷1.5卩s后，拖尾電流已減少到接近零時才關斷。ywilch圖3 IGBT/MOSFE并聯(lián)組合開關電路及工作波形圖這種技術因通態(tài)損耗很低而使得 DC/D變換器的效率很高。但 需工作頻率相對較低，一般選取2040kHN由于半橋組合開 關只需兩個開關，總的開關器件的數(shù)目少，使可靠性顯著提高。3半橋電路平衡控制技術通過控制和調整IGBT/MOSFET柵驅動的延遲時間可使半橋平 衡，避免變壓器偏磁飽和過流，燒毀開關管。這在脈沖

8、較寬大 時，很容易實現(xiàn)。但當輕載或無載時，脈寬很窄 （例如小于 0.3 口 s），此時的IGBT/MOSFE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。當脈寬小于 0.3 口 s時，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，使其在無載時能正常工作。由于工作頻率較低，組合開關的開關損耗很小，通態(tài)損耗也很 小。圖4半橋電路平衡控制電路4多重環(huán)路控制電路平均電流模式控制系統(tǒng)采用PI調節(jié)器，需要確定比例系數(shù)和零點兩個參數(shù)。調節(jié)器比例系數(shù) KP的計算原則是保證電流調節(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

9、低的頻率范圍內，在開關頻率所對應的 角頻率的1/101/20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調節(jié)器中增加一個位于開關頻率附近的極點，用 來消除開關過程中產生的噪聲對控制電路的干擾，這樣的PI調節(jié)器的結構如圖5所示。Uf *C2圖5具有濾波功能的PI調節(jié)器控制電路的核心是電壓、電流反饋控制信號的設計。為了保證 在系統(tǒng)穩(wěn)定性的前提下提高反應速度，設計了以電壓環(huán)為主的 多重環(huán)路控制技術。電流環(huán)響應負載電流變化，并且有限流功 能。設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，調節(jié)器增益可通過后級帶電位器 的放大環(huán)節(jié)進行調節(jié)。這樣電源工作在高精度恒

10、壓狀態(tài)下，輸 出動態(tài)響應，使電源在負載突變的情況下，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體積， 達到合理的功率密度， 采用了強迫風冷方 式。對于風冷散熱器來說， 風速的大小直接關系到散熱效果的 優(yōu)劣。由于要求前后通風，在設計時應考慮： 保證風速達到一定的要求 (V= 6m/s) ，并考慮風壓的影響。當 風壓低于散熱器壓頭損失時， 冷卻風根本就吹不過去或風速很 低，達不到提高散熱率的目的。由于散熱器及翼片間隙同風道與散熱器間隙有很大差別， 當風 壓過低時，可以在進風口散熱器與風道的間隙間加擋流柵板或 喇叭型的進口，強迫風從散熱器的翼片間流過。升壓電感、主變壓器、輸出濾波

11、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 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 質低元器件、 下半部放置高元器件， 風扇放置在散熱器前中上 位置并固定在前面板上，采用前進風后出風方式。軍用高頻開關電源產品不但要考慮電源本身參數(shù)設計， 還要考 慮電氣設計、電磁兼容設計、 熱設計、結構設計、 安全性設計 和三防設計等方面。 因為任何方面哪怕是最微小的疏忽， 都可 能導致整個電源的崩潰， 所以我們應充分認識到軍用高頻開關 電源產品可靠性設計的重要性。僅供個人參考試驗結果圖6 DC/DC初級電壓波形（滿載）圖7 DC/DC次級電壓波形（

12、滿載）圖8高頻電感電流模擬器波形從表1可以看出，測試結果符合協(xié)議的規(guī)定，其中功率因數(shù)、 效率、電源調整率、負載調整率、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)試蟹集時此姣洛i?琴求輛人電壓范U1 】呂 T 1 1 .V .： l ( J * HJ)M - 1 i-I V,n ( 4 H,)型事兇數(shù)n.7Sn.電諄調Jfc率 0.1% i J(h/%1仇載側聲車空 士 | n,2*S輸陷怔研粽就PtW酋壬unV2dVSVMI腿出電壓|-3叩化1 j 11 JM-1Hi 11S Ss 11 m| 札 ldin iH1 hiiifi飛甩X itrii /1 Phi nrC l；.hkg卜-丁利右u；-僅供個人用于學習、研究；不得用于商業(yè)用途For 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 werde