机载高频开关电源的设计研制

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机载高频开关电源的设计研制

机载高频开关电源产品特地用于输入交流400Hz的场所，这是特意为了满足军用雷达、航空航天、舰船、机车以及导弹发射等特地用处所设计的。应用户请求，研制出机载高频开关电源产品对电子武器配备系统的国产化，突破国际封锁，进步我军配备的机动性，高性能都有重要的意义。

　　机上可供选择的供电电源有两种输入方式：115V/400Hz中频交流电源和28V直流电源。两种输入方式各有优缺陷，115V/400Hz电源动摇小，需求器件的耐压相对较高;而28V直流电源却相反，普通不能直接提供应设备部件运用，必需将供电电源停止隔离并稳压成为需求的直流电源才干运用。机载电源的运用环境比拟恶劣，必需顺应宽范围温度正常工作，并能禁受冲击、震动、湿润等应力挑选实验，因而设计机载电源的牢靠性给我们提出了更高的请求。下面主要引见115V/400Hz中频交流输入方式所研制的开关电源，它的输出电压270～380Vdc能够调理，输出功率不小于3000W，环境温度可宽至-40℃～+55℃，完整顺应军品级电源的需求。

　　系统构成及主回路设计

　　它的设计主要经过升压功率因数校正电路及DC/DC变换电路两局部完成。115Vac/400Hz中频交流电源经输入滤波，经过升压功率因数校正(PFC)电路完胜利率因数校正及升压预稳、能量存储，再经过DC/DC半桥变换、高频整流滤波器、输出滤波电路以及反应控制回路完成270～380Vdc可调理输出稳压的性能请求。

　　升压功率因数校正电路主要使输入功率因数满足指标请求，同时完成升压预稳功用。本局部设计统筹功率因数电路到达0.92的请求，又使DC/DC输入电压恰当，不致使功率因数校正电路工作担负过重，因而设定在330～350Vdc。

　　隔离式DC/DC变换器电路拓扑构造方式主要有以下几种：正激、反激、全桥、半桥和推挽。反激和正激拓扑主要应用在中小功率电源中，不合适本电源的3000W输出功率请求。全桥拓扑固然能输出较大的功率，但构造相对较为复杂。推挽电路构造中的开关管电压应力很高，并且在推挽和全桥拓扑中都可能呈现单向偏磁饱和，使开关管损坏。而半桥电路由于具有自动抗不均衡才能，而且相对较为简单，开关管数量较少且电压电流应力都比拟适中，故不失为一种合理的选择。

　　DC/DC变换电路主要为功率变压器设计，采用IGBT/MOSFET并联组合开关技术和半桥电路均衡控制技术。经过火析计算，采用双E65磁芯，初级线圈12匝，次级绕组圈15匝。

　　关键技术设计

　　1功率因数校正技术和无源无耗缓冲电路

　　具有正弦波输入电流的单相输入个功率因数校正电路在开关电源中的运用越来越普遍，图2所示为升压功率因数校正和无源无耗缓冲电路。

　　采用无源无耗缓冲电路，元件全部采用L、C、D等无源器件，既有零电流导通特性，又有零电压关断特性，比传统的有损耗的缓冲电路元件少30%。缓冲电路元件包括L1、C1、C2、D1、D2和D3。

　　可用UC2854A控制主开关SWB，其缓冲电路是不需控制的，并且具有电路简单的特性。其原理是将二极管DB反向恢复的能量和SWB关断时贮存在C2中的能量在SWB导通时转移到C1中。在SWB关断时，L1中的储能向C2充电，并经过D1、D2、D3转移到CB中，同时也向CB放电，用这种电路完成了零电压关断和零电流导通，有效地减少损耗，进步了电路的效率和牢靠性。

　　该电路的主要特性是：

　　开关SWB上最大电压为输出电压VL。

　　Boost二极管DB上最大反向电压为VL+VE，VE值由IR、L1、C1及C2的相关值决议。

　　开关SWB上最大电流上升率由L1和V1决议，并且导通损耗和应力很小。

　　开关SWB上最大电压率由C2决议，并且关断功耗和应力很小。

　　在开关周期中，为取得电流和电压上升率的控制而贮存在L1和C2中的能量最终又回到输出电源中，这样确保电路真正的无损耗工作。

　　2 IGBT/MOSFET并联组合开关技术

　　与MOSFET相比，IGBT通态电压很低，电流在关断时很快降落到初始值的5%，但减少到零的时间较长，约1～1.5μs，在硬开关形式下会招致很大的开关损耗。在组合开关中，并联MOSFET在IGBT关断1.5μs后，拖尾电流已减少到接近零时才关断。

　　这种技术因通态损耗很低而使得DC/DC变换器的效率很高。但需工作频率相对较低，普通选取20～40kHz。由于半桥组合开关只需两个开关，总的开关器件的数目少，使牢靠性显著进步。

　　3半桥电路均衡控制技术

　　经过控制和调整 IGBT/MOSFET栅驱动的延迟时间可使半桥均衡，防止变压器偏磁饱和过流，烧毁开关管。这在脉冲较宽大时，很容易完成。但当轻载或无载时，脉宽很窄(例如小于0.3μs)，此时的IGBT/MOSFET延迟已取消。因而在窄脉宽时，为坚持其均衡，我们采用了一个低频振荡器。当脉宽小于0.3μs时，振荡器起振使PWM发作器间歇工作，坚持脉宽不小于0.3μs，以维持半桥均衡，使其在无载时能正常工作。

　　由于工作频率较低，组合开关的开关损耗很小，通态损耗也很小。

　　4 多重环路控制电路

　　均匀电流形式控制系统采用PI调理器，需求肯定比例系数和零点两个参数。调理器比例系数KP的计算准绳是保证电流调理器输出信号的上升阶段斜率比锯齿波斜率小，这样电流环才会稳定。零点选择在较低的频率范围内，在开关频率所对应的角频率的1/10～1/20处，以取得在开环截止频率处较充足的相位裕量。

　　另外，在PI调理器中增加一个位于开关频率左近的极点，用来消弭开关过程中产生的噪声对控制电路的干扰。

　　控制电路的中心是电压、电流反应控制信号的设计。为了保证在系统稳定性的前提下进步反响速度，设计了以电压环为主的多重环路控制技术。电流环响应负载电流变化，并且有限流功用。设计电路增加了对输出电感电流采样后的差分放大，隔直后参加到反应环中参与控制，调理器增益可经过后级带电位器的放大环节停止调理。这样电源工作在高精度恒压状态下，输出动态响应，使电源在负载突变的状况下，没有大的输出电压过冲。

　　5进步散热效果，降低热阻

　　为了减小整机体积，到达合理的功率密度，采用了强迫风冷方式。关于风冷散热器来说，风速的大小直接关系到散热效果的优劣。由于请求前后通风，在设计时应思索：

　　保证风速到达一定的请求(V= 6m/s)，并思索风压的影响。当风压低于散热器压头损失时，冷却风基本就吹不过去或风速很低，达不到进步散热率的目的。

　　由于散热器及翼片间隙同风道与散热器间隙有很大差异，当风压过低时，能够在进风口散热器与风道的间隙间加挡流栅板或喇叭型的进口，强迫风从散热器的翼片间流过。

　　升压电感、主变压器、输出滤波电感成一排固定在散热器上半部，主板固定在散热器下半部;主板上的功率器件如功率开关管、输出整流管经过钢板压条固定在散热器上，主板上半部放质低元器件、下半部放置高元器件，风扇放置在散热器前中上位置并固定在前面板上，采用行进风后出风方式。

　　军用高频开关电源产品不但要思索电源自身参数设计，还要思索电气设计、电磁兼容设计、热设计、构造设计、平安性设计和三防设计等方面。由于任何方面哪怕是最微小的忽略，都可能招致整个电源的解体，所以我们应充沛认识到军用高频开关电源产品牢靠性设计的重要性。

2和D3。