一種低頻脈沖負(fù)載用特種開(kāi)關(guān)電源研制

20世紀(jì)50年代，人類開(kāi)始有了最早的開(kāi)關(guān)電源；80年代，計(jì)算機(jī)電源全面實(shí)現(xiàn)了開(kāi)關(guān)電源化；90年代后，開(kāi)關(guān)電源相繼開(kāi)始大面積進(jìn)入了各種電子、電器設(shè)備領(lǐng)域[1]。隨后在雷達(dá)領(lǐng)域也開(kāi)始了非常廣泛的應(yīng)用。

隨著現(xiàn)代雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)于電源的需求越來(lái)越多樣化，特殊化。另外，由于雷達(dá)的工作特性決定了其發(fā)射電源的負(fù)載特性為脈沖式負(fù)載，且不同的雷達(dá)由于其發(fā)射頻段不一樣，所以電源的負(fù)載脈沖頻率也是多種多樣的。同時(shí)為了控制頂降不能過(guò)大，電源的輸出端往往都要接上很大容量的儲(chǔ)能電容。我們?cè)O(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的這款開(kāi)關(guān)電源主要應(yīng)用于雷達(dá)的發(fā)射機(jī)，為雷達(dá)波的發(fā)射提供供電。

1 主要技術(shù)指標(biāo)

該電源輸入為380V三相四線，輸出為24～36V（額定值為28V）可調(diào)，輸出電流為60A，效率大于90%，源效應(yīng)≤±0.1%，負(fù)載調(diào)整率≤±0.5%，具有過(guò)流、過(guò)壓保護(hù)功能，同時(shí)電源內(nèi)部要求輸出自帶1F以上的儲(chǔ)能電容，負(fù)載為20Hz、占空比30%的低頻脈沖負(fù)載。

2 設(shè)計(jì)難點(diǎn)及解決方法

①為了保證脈沖負(fù)載內(nèi)的頂降符合要求，輸出端要求帶有不小于1.1F的儲(chǔ)能電容，即電源要求能夠帶很大的容性負(fù)載；解決方法：1）控制上采用電流內(nèi)環(huán)，電壓外環(huán)的雙閉環(huán)控制策略，采用對(duì)輸出電容限流降壓充電的方式，以避免沖擊電流保護(hù)；2）設(shè)計(jì)了軟啟動(dòng)電路，開(kāi)機(jī)時(shí)使輸出電壓緩慢上升，以減小沖擊電流。

②負(fù)載在30%的脈內(nèi)峰值電流達(dá)130A以上，而電源的額定輸出電流Io為60A，過(guò)流能力為120%Io。這樣就既要保證在脈內(nèi)峰值電流的沖擊下過(guò)流保護(hù)電路不會(huì)誤動(dòng)作，同時(shí)在真實(shí)過(guò)流時(shí)又能保護(hù)電源不受損壞。

解決方法：采用單一輸出過(guò)流點(diǎn)保護(hù)時(shí)，在30%的脈內(nèi)峰值電流已達(dá)130A以上，電流超過(guò)了過(guò)流點(diǎn)，此時(shí)過(guò)流電路動(dòng)作，必然影響負(fù)載的正常工作，所以不能采用單一輸出過(guò)流點(diǎn)保護(hù)方式；在電流、電壓雙閉環(huán)電路中，當(dāng)電流到達(dá)環(huán)路限流點(diǎn)時(shí)，進(jìn)一步增加負(fù)載將引起輸出電壓的降低，利用這一特性對(duì)輸出過(guò)流保護(hù)電路采用輸出過(guò)流和輸出欠壓相“或”的邏輯控制方式，即單獨(dú)輸出過(guò)流或輸出欠壓時(shí)保護(hù)電路不動(dòng)作，只有當(dāng)輸出過(guò)流且輸出電壓被降至欠壓點(diǎn)以下時(shí)才保護(hù)并關(guān)機(jī)。

3 方案介紹
本電源方案的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，下面進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

圖1.電源結(jié)構(gòu)框圖

①輸入EMI濾波及整流電路：選用專門生產(chǎn)電源濾波器廠家的三相電源濾波器。濾波器緊靠在電源金屬外殼的入口處，以保證良好的EMI和EMC。
②無(wú)源PFC電路：如圖2所示，由軟啟動(dòng)電路、濾波電感和濾波電容組成的無(wú)源PFC電路，簡(jiǎn)單可靠，能夠達(dá)到電源的技術(shù)指標(biāo)的要求。

圖 2 輸入電路

③DC-DC功率變換模塊：選用全橋移相軟開(kāi)關(guān)電路[2]。

圖3 ZVS全橋變換器ZVS全橋變換器的電路如圖3所示。其中Q1～Q4是四只主開(kāi)關(guān)管，D1～D4分別是Q1～Q4的內(nèi)部寄生二極管，C1～C4分別是Q1～Q4的寄生電容，Lr是諧振電感，Tr是高頻變壓器，DR1和DR2是輸出整流二極管，Lf是輸出濾波電感，Cf是輸出濾波電容。本變換器采用移相控制，每個(gè)橋臂的兩個(gè)功率管成180°互補(bǔ)導(dǎo)通，兩個(gè)橋臂的導(dǎo)通角相差一個(gè)相位，即移相角，通過(guò)調(diào)節(jié)移相角的大小來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓。Q1和Q3分別超前于Q4和Q2一個(gè)相位，稱Q1和Q3組成的橋臂為超前橋臂，Q2和Q4組成的橋臂則為滯后橋臂。該變換器采用移相控制的方法利用諧振電感的能量來(lái)實(shí)現(xiàn)超前橋臂和滯后橋臂的零電壓開(kāi)關(guān)（ZVS），從而提高電源的效率、可靠性，減小EMI。同時(shí)在變換器中加入箝位電路，從而降低副邊整流管的尖峰電壓，有利于變換器的整體優(yōu)化[3]。

該變換器具有以下特點(diǎn)：

- 超前橋臂可以在很寬的負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)ZVS；

- 滯后橋臂可以在一定的負(fù)載范圍(一般>Iomax/2)內(nèi)實(shí)現(xiàn)ZVS；

- 輸出整流管上電壓振蕩和電壓尖峰較小；

- 恒定頻率控制，易于優(yōu)化設(shè)計(jì)輸出濾波電感和濾波電容。

圖4給出了ZVS全橋變換器的控制電路的框圖。其中PWM控制電路是基于UC3879芯片的電壓電流雙閉環(huán)控制電路，其動(dòng)態(tài)特性比電壓?jiǎn)伍]環(huán)要好得多[4]。

圖4 ZVS全橋變換器的控制電路結(jié)構(gòu)框圖

為進(jìn)一步提高電源的動(dòng)態(tài)性能，在控制電路中加入箝位電路，防止調(diào)節(jié)器深度飽和，使調(diào)節(jié)器由飽和進(jìn)入線性調(diào)節(jié)區(qū)的時(shí)間被大大縮短，從而進(jìn)一步提高電源的動(dòng)態(tài)性能?？刂齐娐分羞€包括輸出電流限制功能。在電壓閉環(huán)前端加入均流電路，通過(guò)環(huán)路調(diào)節(jié)控制實(shí)現(xiàn)電源多模塊并聯(lián)功能，其中均流電路采用UC3902芯片。保護(hù)電路包括本機(jī)的輸出過(guò)壓保護(hù)、輸出過(guò)流保護(hù)（過(guò)流保護(hù)電路已集成在PWM芯片內(nèi)部），將輸出過(guò)壓、過(guò)流放在本機(jī)而不是系統(tǒng)控制電路，主要考慮檢測(cè)方便，延時(shí)小，有利于快速反應(yīng)?？刂齐娐返恼９ぷ餍枰到y(tǒng)控制電路輸出的正常開(kāi)機(jī)信號(hào)。

④輔助電源：提供不受控的控制電路的電源。由于輸入電網(wǎng)電壓高，采用雙管反激電路可以減小功率開(kāi)關(guān)管的電壓應(yīng)力。反激電路可以適應(yīng)較大范圍的輸入電壓變化，結(jié)構(gòu)體積比較小[5]。

下圖是雙管反激電路圖：

圖5 雙管反激電路圖

4 試驗(yàn)結(jié)果根據(jù)上述方案，制作了8臺(tái)電源，經(jīng)過(guò)測(cè)試及各種環(huán)境試驗(yàn)，電源輸出電壓為28V（24V～36V范圍內(nèi)可調(diào)），輸出電流為60A，效率在90%以上，其中部分可達(dá)到92.8%，負(fù)載調(diào)整輸出變化為0.15V左右，負(fù)載調(diào)整率低至0.1%，線網(wǎng)調(diào)整時(shí)輸出電壓變化0.01V，可以滿足電源指標(biāo)要求。最后與雷達(dá)整機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)試，性能穩(wěn)定可靠，滿足了整機(jī)系統(tǒng)的需要，達(dá)到了預(yù)期的效果。圖6和圖7給出了聯(lián)機(jī)時(shí)變壓器上正常工作的電流波形和電源照片。

圖6 通道1為帶脈沖負(fù)載輸出電壓波形，通道2為變壓器原邊電流波形

圖7 電源帶載試驗(yàn)時(shí)面板部分照片

5 結(jié)束語(yǔ)

采用相同技術(shù)方案的該電源已經(jīng)過(guò)批量生產(chǎn)并投入產(chǎn)品使用，證實(shí)該電源的研制非常成功，對(duì)今后類似低頻脈沖式負(fù)載電源的設(shè)計(jì)具有重要的借鑒意義。

參考文獻(xiàn)

[1] 開(kāi)關(guān)電源的技術(shù)追求和發(fā)展趨勢(shì). 維庫(kù)電子市場(chǎng)網(wǎng).

[2] 阮新波，嚴(yán)仰光．脈寬調(diào)制DC/DC全橋變換器的軟開(kāi)關(guān)技術(shù). 北京: 科學(xué)出版社，1999.

[3] 李善慶，王琪，路侃．加箝位二極管全橋變換器的研究與應(yīng)用．電源技術(shù)，2008，9：61-63．

[4] 張占松，蔡宣三．開(kāi)關(guān)電源的原理與設(shè)計(jì).北京: 電子工業(yè)出版社，1998.

[5] 張先進(jìn)，周平森，王慧．雙管反激變換器研究分析. 電子發(fā)燒友網(wǎng).

作者簡(jiǎn)介

汪邦照（1982— ），男，本科，2003年畢業(yè)于安徽大學(xué)自動(dòng)化系，現(xiàn)工作于合肥華耀電子工業(yè)有限公司，主要研究方向?yàn)椋很娪弥小⒋蠊β矢哳l開(kāi)關(guān)電源。

趙艷飛（1983— ），男，碩士，2008年畢業(yè)于安徽大學(xué)電氣學(xué)院，現(xiàn)工作于合肥華耀電子工業(yè)有限公司，主要研究方向?yàn)椋很娪弥?、大功率高頻開(kāi)關(guān)電源。

李善慶（1966— ），男，高級(jí)工程師，1989年畢業(yè)于東南大學(xué)無(wú)線電技術(shù)專業(yè)，現(xiàn)工作于合肥華耀電子工業(yè)有限公司，主要研究方向?yàn)椋很娪弥?、大功率高頻開(kāi)關(guān)電源、電源模塊及雷達(dá)電源系統(tǒng)。