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，這是特意為了滿足軍用雷達(dá)、航空航天、艦船、機(jī)車以及導(dǎo)彈發(fā)射等特地用處所設(shè)計(jì)的。應(yīng)用戶請(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。
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