高功率因數(shù) 220V10A 電力系統(tǒng)直流操作開關(guān)電源

1、清華大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版11 301997年第37卷Jou rnal of T singhua U n iversity (Sci &T ech 第7期第4851頁高功率因數(shù)220V 10A 電力系統(tǒng)直流操作開關(guān)電源劉文華,馬曉軍,鄭文斌,趙書閣清華大學(xué)電機工程與應(yīng)用電子技術(shù)系,北京100084收稿日期:1997202220第一作者:男,1968年生,講師文摘為了滿足未來電力系統(tǒng)對直流操作電源的要求,給出了一種具有高功率因數(shù)的用于電力系統(tǒng)的新型直流操作開關(guān)電源的設(shè)計和實現(xiàn)。通過對高頻開關(guān)電源幾種常見拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的比較和分析,設(shè)計的開關(guān)電源模塊輸入級采用了升壓變換器來校正功率因數(shù),DC DC

2、 變換采用高可靠性的雙管正激電路和電流型控制。電源系統(tǒng)采用無主均流控制方式,真正實現(xiàn)N +1冗余運行,并以8031單片機控制R S 485串行接口構(gòu)成智能監(jiān)控,使該電源系統(tǒng)具備新一代直流操作電源系統(tǒng)的所有功能。文中給出了系統(tǒng)較詳細(xì)的設(shè)計過程,分析了影響開關(guān)電源性能的各種因素及解決方法。關(guān)鍵詞開關(guān)電源;功率因數(shù)校正;并聯(lián)運行分類號TM 46115220V 、110V 的直流操作電源系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性直接影響到發(fā)、變電運行及設(shè)備的安全性。傳統(tǒng)的直流操作電源采用相控整流電源,此種電源體積大、重量大、輸出電壓紋波大。高頻開關(guān)電源由于具有更高的效率、更小的體積和重量以及更快速的動態(tài)響應(yīng)而正在逐步取代傳

3、統(tǒng)的相控整流型一次電源。此外,對電網(wǎng)諧波污染的限制以及對遙信、遙測及遙控功能的要求使得高輸入功率因數(shù)及智能化成為這種電源的發(fā)展方向。對大容量的電源系統(tǒng),采用多電源模塊并聯(lián)運行的模塊化結(jié)構(gòu)方式,可更好地提高系統(tǒng)的可靠性。開關(guān)電源模塊的可靠性主要取決于其主電路拓?fù)浼翱刂品椒?。目前國產(chǎn)開關(guān)電源可靠性不高的原因就在于主電路拓?fù)浼翱刂品椒浜蟆１疚谋容^了幾種常用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的可靠性,并采用了電流型控制及無主均流控制方法,使電源模塊主要性能指標(biāo)達(dá)到:交流輸入電壓:160270V ,4560H z ;功率因數(shù):0199;直流輸出電壓:200265V ;直流輸出電流:10A ;效率:88%;冷卻:風(fēng)冷(由負(fù)載大小

4、控制;紋波峰峰值:100mV ;開關(guān)頻率:50kH z ;靜態(tài)電壓調(diào)整率:<0.5%;動態(tài)電壓調(diào)整率:<4%;多機并聯(lián)均流精度:<2%;體積:L ×W ×H =430mm ×140mm ×300mm ;重量:16kg 。1功率因數(shù)校正器開關(guān)電源的輸入側(cè)一般都采用單相或三相全橋整流濾波電路,把輸入交流電壓變成一直流電壓。采用簡單的電解電容濾波將使交流輸入電流畸變,對電網(wǎng)產(chǎn)生諧波污染。國際電工標(biāo)準(zhǔn)委員會制定了用于工頻220V 、380V 電網(wǎng)的電工、電子產(chǎn)品允許的諧波電流標(biāo)準(zhǔn)IEC 55222。改善整流電路功率因數(shù)的方法之一是采用無源濾波。

5、該方法除不能達(dá)到很好的效果外,還將使電源體積與重量增加。改善功率因數(shù)的另一方法是采用功率因數(shù)校正電路。本文采用了常用的升壓型功率因數(shù)校正方式,這種方式可使輸入的功率因數(shù)高達(dá)0199,且有現(xiàn)成的集成控制芯片,這使得電路設(shè)計大為簡化。功率因數(shù)校正器輸出一穩(wěn)定的400V 直流電壓。這使得后級DC DC 變換器的功率開關(guān)管,變壓器和輸出濾波電感都得到充分的利用。升壓型功率因數(shù)校正電路及輸入電壓與電流波形見圖1。從圖可看出,功率因數(shù)校正的基本思路是利用輸出電壓控制環(huán)的輸出與輸入整流后的電壓U ac (t 相乘,得到一個電流參考信號I ref (t ,并使電感中電流波形跟蹤I ref (t 波形,從而使輸

6、入交流電流波形近似正弦波,并且使輸出電壓得到控制。其中電流控制環(huán)采用開關(guān)頻率恒定、控制精度高、不需斜波補償、對噪音不敏感的平均電流型控制,其控制原理圖見圖21,它的集成芯片有很多種,我們選用U n i 2trode 公司的U C 3854B 2。設(shè)計目標(biāo)是:交流輸入電壓工作范圍為160270V ,輸出直流電壓為395V ,最大輸出功率為3.1k W 。為了保證整個變換器的效率,開關(guān)頻率選為50kH z ,功率開關(guān)管T 用兩只功率M O SFET I XFH 26N 50(500V 、26A 并聯(lián)使用。電感L 采用兩只56060環(huán)型鐵粉芯實現(xiàn),電感量為250H 。續(xù)流二極管D 采用一只D SE

7、I 60206A 。由于續(xù)流二極管截止時反向恢復(fù)電流流入M O SFET ,使M O SFET 開通損耗增大,并使輸出電壓及控制地線尖峰增大,對控制造成干擾,因此在續(xù)流二極管支路需串接一只飽和電感,以抑制反向恢復(fù)電流。此外,電流I ac (t 的測量很關(guān)鍵,采用磁環(huán)電流互感器測量時由于磁環(huán)的飽和問題,使控制效果不好。為此,我們采用一特制的25m 8電阻R 測量該電流。在輸入電壓160V 、輸出電壓395V 、輸出電流8A 、散熱器溫度80時,測得損耗約為210W ,效率為94%。實測輸入電流與電壓波形見圖 1(b 。(a (b 圖1升壓型功率因數(shù)校正電路及輸入電流與電壓波形圖2功率因數(shù)校正的平

8、均電流型控制法2DC DC 變換器全橋和半橋主電路拓?fù)漭^常用于大功率DC DC 變換器中。這二種拓?fù)溆捎谥髯儔浩鞔磐ㄔ趦蓚€方向變化而使磁芯利用充分,可使變壓器體積較小。但這兩種拓?fù)溆腥缦氯秉c:1橋臂上、下開關(guān)管在不可預(yù)見的干擾下會產(chǎn)生直通短路,損壞開關(guān)管;2某一個開關(guān)管驅(qū)動脈沖丟失時,變壓器原邊會因偏磁而飽和;3兩路驅(qū)動脈沖寬度不一致也會導(dǎo)致變壓器原變偏磁飽和。這將導(dǎo)致原邊開關(guān)管不明原因的損壞。正激變換拓?fù)鋭t避免了以上三種因素的影響,因而其可靠性極高,在要求高可靠性的開關(guān)電源中越來越多地被采用。雖然其變壓器(B =B m 利用率似乎不如半橋和全橋變換器(B =2B m 充分,但在實際應(yīng)用中,由

9、于變壓器磁心鐵損與開關(guān)頻率的112次方及B 2.3成正比,在開關(guān)頻率較高的情況下,為使磁芯溫升在可允許范圍內(nèi),全橋和半橋方式下變壓器磁通變化B 不允許太高,正激變換器可使用的B 與全橋和半橋變換器相差不大。因此實際應(yīng)用中正激變換拓?fù)涞淖儔浩骼寐什⒉坏?。基于以上分?我們采用雙管雙正激拓?fù)渫瓿蒁C DC 變換, 其電路圖如圖33,4。圖3雙正激主電路圖3中,每一個單正激變換器由二只M O SFET 構(gòu)成,這種雙管單正激可降底開關(guān)管耐壓要求。兩個正激變換器的驅(qū)動脈沖相位相差180°。和單正激變換器相比,雙正激變換器在使輸出功率增大的同時還帶來如下好處:1輸出濾波電感工作頻率為兩倍開關(guān)頻

10、率,這使得其大小相對減小;2由于變壓器原副邊變比為單正激的兩倍,可選用低耐壓的輸出整流二極管。實際使用的開關(guān)頻率為50kH z ,開關(guān)管驅(qū)動采用脈沖變壓器耦合隔離方式,這樣可減小主電路對控制電路的干擾。功率變壓器TR 1,TR 2及輸出濾波電感L 1磁心都采用H 7C 1材料的EE 70磁心。原邊每只開關(guān)管為M 11M 22為M O S 294劉文華,等:高功率因數(shù)220V 10A 電力系統(tǒng)直流操作開關(guān)電源FET I XFH 26N 50,輸出整流二極管D 1D 4采用4只快恢復(fù)二極管D SE I 20212A ,其中2只并聯(lián)使用作為續(xù)流二極管。D SE I 20212A 的反向軟恢復(fù)特征使得

11、輸出尖峰電壓減小外,反向恢復(fù)電流折算到原邊也小,使得原邊M O SFET 開通損耗減小。在輸出電壓265V ,輸出電流10A ,散熱器溫度80的條件下,測得DC DC 變換器損耗為170W ,效率為94%。PWM 控制采用峰值電流型控制,其原理見圖4(a ,其中I (t 由二個正激變換器原邊電流合成, 見(a (b 圖4峰值電流型控制原理圖圖4(b 。這種電流型控制與電壓型控制相比有如下優(yōu)點:1開關(guān)管在其電流達(dá)到給定值時截止,即開關(guān)管在其每個開關(guān)周期都有電流保護;2自動消除工頻輸入整流后的低頻紋波,使輸出端300H z 以內(nèi)紋波值很小,因而可減少輸出濾波電容;3多臺電源并聯(lián)運行時,具有內(nèi)在的均

12、流能力;4具有更快速的負(fù)載動態(tài)響應(yīng)。由于操作開關(guān)電源系統(tǒng)采用多個電源模塊并聯(lián)工作模式以增加系統(tǒng)的可靠性,因此要求每個單臺電源模型具有并聯(lián)運行時與其他模塊均分電流的功能。均流控制方法有很多種,我們在DC DC 變換器控制中采用了最大值均流控制法,其原理見圖5 。圖5最大電流值均流控制原理圖圖5中,每臺電源模塊本機輸出電流I 0經(jīng)過一緩沖器送到公共電流線I m ax 上,I m ax 即反映了并聯(lián)電源模塊中輸出電流最大的那個模塊的電流。本機電流與I m ax 的差值I 被疊加到PWM 控制的電壓給定上。這樣,每臺電流即跟隨最大電流I m ax ,穩(wěn)態(tài)時每臺電源輸出電流相等。這種均流控制方法與電源模

13、塊數(shù)目無關(guān),且任意一臺故障或退出運行均不影響其他模塊的均流功能,真正實現(xiàn)了N +1冗余運行。5臺10A 電源并聯(lián)運行時,實際均流精度小于2%。為了使電源模塊在任何運行工況及環(huán)境下不會損壞,在電源內(nèi)設(shè)置了以下保護:負(fù)載大小控制的風(fēng)冷。當(dāng)輸出電流達(dá)到6A 時,啟動風(fēng)扇,使散熱器溫升保持在允許范圍內(nèi)。當(dāng)風(fēng)扇故障時,輸出電流限流給定降低為6A 。輸入交流電壓欠壓和過壓保護。當(dāng)輸入電壓低于160V 時,關(guān)閉電源,當(dāng)輸入電壓回升至170V 時,電源自動啟動;當(dāng)輸入電壓高于270V 時,關(guān)閉電源,當(dāng)輸入電壓降回至260V 時,電源自動啟動。輸出電流限流。電源以恒流方式限制輸出最大電流為10A ,當(dāng)負(fù)載阻抗降

14、低到使輸出電壓低于80V 時,關(guān)閉電源,負(fù)載阻抗回升至正常值時,電源自動啟動。輸出過壓保護。當(dāng)輸出電壓超過270V 時,關(guān)閉電源,此后需進(jìn)行復(fù)位操作以啟動電源。輸出短路保護。當(dāng)輸出短路時,關(guān)閉電源,短路消失后,電源自動啟動。散熱器過溫保護。當(dāng)散熱器溫度超過95時,關(guān)閉電源,當(dāng)散熱器溫度降至70時,電源自動啟動。3微機監(jiān)控接口為了使并聯(lián)運行于一個電源系統(tǒng)的開關(guān)電源模塊能接受一監(jiān)控模塊的監(jiān)控,以構(gòu)成一個具有遙信、遙測及遙控功能的智能電源系統(tǒng),采用8031單片機及通過其串行口轉(zhuǎn)換的R S 485口作為電源模塊與監(jiān)控模塊的接口。和模擬信號接口相比,R S 485串行接口使得在需要擴展被監(jiān)控的電源模塊數(shù)

15、量時,監(jiān)控模塊硬件部分不需作任何變化,只需擴展軟件部分。8031單片機及其外圍擴展電路主要完成以下功能:數(shù)據(jù)采集。完成電源模塊的直流輸出電壓、電流、散熱器溫度、運行狀態(tài)(正?；蚬收系牟杉?。顯示與操作。驅(qū)動一3位半液晶顯示器顯示輸出電流、電壓,并完成顯示量的切換、電源的開 關(guān)機、故障的復(fù)位等操作。R S 485串行口通信。以中斷方式接收監(jiān)控模發(fā)送來的命令數(shù)據(jù),如果是讀取參數(shù)命令,則將電源模塊的直流輸出電壓、電流、散熱器溫度、運行狀態(tài)等參數(shù)回送監(jiān)控模塊;如果是操作命令,則完成相應(yīng)的操作,并回送一表示操作結(jié)果的響應(yīng)數(shù)據(jù)塊。05清華大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版1997,37(74結(jié)論本文介紹了一種單相輸入高功

16、率因數(shù)的220 V 10A開關(guān)電源的設(shè)計及其特性。單相功率因數(shù)校正采用了平均電流型控制的升壓變換器,而后級DC DC變換器采用了可靠性極高的雙管雙正激變換器,此外電源還具有多種保護功能、多機無主均流能力及單片機控制的監(jiān)控接口,這些技術(shù)特點加上精心設(shè)計的整體結(jié)構(gòu)使得該電源具有新一代直流操作電源所要求的性能:高功率因數(shù)、高效率、高可靠性、智能化、體積小、重量輕。參考文獻(xiàn)1D ixon L H.A verage current mode con tro l fo r s w itch ing pow er supp lies.U nitrode pow er supp lydesign sem in

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19、g,T singhua U n iversity,Beijing100084AbstractTo m eet the dem and fo r DC operating pow er supp ly in pow er system in the futu re,the design and developm ent of a new type of h igh2frequency s w itch mode rectifier w ith h igh pow er facto r,used as DC operating pow er supp ly,is p resented.Based on the comparison and analysis fo r the conven ti onal topo logies of s w itch ing pow er supp ly,