一種小體積、高可靠性的開關電源設計

一工程試驗其點火裝置，為了滿足狹小空間下，不同阻值爆炸橋絲的引燃工作，要求紋波小、輸出可調，體積小和高可靠的開關穩(wěn)壓電源?；疽笫禽斎階C220V，輸出DC0～100V連續(xù)可調，最大輸出電流100A，低頻紋波Vrms≤O．1％，電壓調整率≤0．5％，穩(wěn)定度≤0．1％的開關電源。設計思想主要服從可靠、體積兩方面要求。在綜合分析了現(xiàn)有的軟硬開關變換器電源技術后，采用了脈寬調制變換器的形式設計，好處是簡單可靠。通過對電源的供電環(huán)節(jié)、反饋控制、吸收電路、元器件選取與制作以及工藝結構等方面優(yōu)化設計，解決了大電流下的輸出紋波大、輸出大范圍調節(jié)下電源穩(wěn)定性差、炸管和振蕩等問題，研制出了合格的電源?！　?/P>

1.電源主電路

電源主電路如圖1所示。電源由輸入電路、變換器、直流輸出和控制驅動組成。輸入電路包含抑制合閘浪涌的延時電路、EMI過濾器、單相整流器和濾波電容器組。變換器采用脈沖寬度調制“H”橋拓撲。高頻變壓器、橋式整流器、電感器和電容器組構成直流電壓輸出電路?？刂齐娐防肞WM調節(jié)輸出電壓電流方案。

1)輸入電路　　

輸入電路由輸入延時啟動、EMI濾波器、橋式整流電路B1和濾波電容器組C1構成。延時啟動使用繼電器方式，以減小電源合閘瞬間對濾波電容器組C1的電流沖擊。電容器選用CDE公司的DCMCE型逆變器專用輸入濾波電容器。整流橋選擇TECHSEM公司的MDQ75單相整流橋模塊。由于電源每次工作時間很短暫及體積的限制，輸入電路中沒有加入功率因數(shù)校正電路。　　

2)變換器和驅動電路　　

變換器采用脈寬調制的“H”橋拓撲，它由四只IGBT(VT1一VT4)組成。工作時，其輸出在1～60μs變化脈沖寬度。IGBT選用三菱公司的CM75BU一12H單相全橋模塊，好處是每只IGBT開關特性的一致性好，無須考慮電路的平衡問題。對于驅動電路，目前集成驅動電路很多，由于它直接影響到IGBT可靠工作及可靠保護，經(jīng)比較選用了POWERXE公司基于VLA502一02的兩通道IGBT驅動模塊BG2A。圖2是VLA502—02的原理圖，與常用混合驅動模塊另一個同之處是它集成了DC／DC電源，無須再對每個驅動電路單獨供電。實際使用表明，BG2A可靠性大大高于EX840等驅動電路，從未遇到過損壞。

3)變壓器和輸出整流濾波電路　　

變壓器功率較大，鐵氧體磁芯難以做到，采用了鐵基納米晶帶材。與鐵氧體材料相比，鐵基納米晶帶材具有高飽和磁感應強度、高導磁率和低矯頑力，使變壓器體積減小、頻響更高、效率提高。同時，加工、安裝方便、參數(shù)調整容易。由于IGBT作硬開關，工作頻率高于1 5kHz時，開關損耗成為電源主要損耗，因此，變壓器及變換器工作的頻率設計為15kHz。輸出整流二極管選用摩托羅拉MUR20020快恢復二極管。

輸出濾波電路采用LC濾波器，由于電感器的電感量和功率較大，鐵粉芯和鐵硅鋁的磁芯沒有相適應的產(chǎn)品規(guī)格，電感磁芯采用了鐵基非晶材料。為了降低輸出紋波，電容器采用美國CED公司101型電解電容器，它的ESR(等效串聯(lián)電阻)、ESL(等效串聯(lián)電感)為目前所有品牌電解電容器中最低，且溫度范圍很寬?！　?/P>

4)控制與安全保護　　

電源是輸出電壓在0～100V間不分檔、可連續(xù)調節(jié)的直流穩(wěn)壓電源，過載保護被設計成高精度的限流保護形式，其限流值在0～100A間可連續(xù)調節(jié)。為了可靠起見，反饋控制采用了傳統(tǒng)的模擬控制，即用誤差放大器來減小輸出電壓與參考電壓的誤差?？刂菩酒捎肨L494，設計為恒壓恒流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，兩個閉環(huán)共用一個脈寬調制實時處理，實現(xiàn)恒壓調節(jié)和恒流調節(jié)功能。TL494的兩個誤差放大器，一個用于電壓穩(wěn)定控制，一個用于電流限制。電流采樣電阻采用1 00A／75mV標準分流器。TL494用作電壓反饋和電流反饋的放大器被設計成“或”的關系。輸出電壓大小的調節(jié)，用改變電壓反饋取樣電阻的分壓比實現(xiàn)，電流限制調節(jié)的方法同樣?！　?/P>

2.輸出電壓紋波　　

抑制電源輸出電壓中的低頻交流紋波和開關噪聲紋波的關鍵是找到成因，再確定處理方案。通常是從器件和電路兩方面解決?！　?/P>

1)尖峰噪聲的抑制　　

尖峰噪聲產(chǎn)生于晶體管ON／OFF的瞬間。為抑制尖峰噪聲，選取ESR、ESL低的電容器和具有軟恢復特性的二極管，通過C4～C7和R4～R7對二極管開關時的尖峰進行抑制。另外，在二極管套入非晶磁珠，對尖峰抑制效果大大好于RC電路，但發(fā)熱太大，未被采用。對于IGBT母線電感引起的尖峰，通常的LCR吸收電路比較復雜，參數(shù)不易協(xié)調。由于變換器是采用H橋模塊，母線很短，所以只用C2完成尖峰吸收。R2和R3吸收變壓器漏感引起的尖峰。使開關波形瞬間產(chǎn)生的尖峰電平只比直流電平稍高一些，大大減輕了IGBT上的尖峰噪聲。C2，C3選用CDE公司的930型聚丙烯薄膜無感電容器?！　?/P>

2)輸出紋波的抑制　　

開關電源中低頻交流紋波一般的說法是從交流電網(wǎng)引入的，輸出濾波器無法濾除，主要靠系統(tǒng)閉環(huán)負反饋來抑制，但這極易引起電路振蕩，損壞IGBT。事實上在供電容量足夠，輸入濾波合適的情況下，測不出交流輸入帶給直流輸出的紋波。由于開關電源電路中諧波豐富，以致引起低頻紋波的原因很多：工藝結構方面，如布線不當；器件的原因，如電容的ESR、電感參數(shù)(取直，氣隙，磁芯的選擇)；元件間的配合，如L與C的乘積值等。尤其電感器對電源的穩(wěn)定性和輸出紋波影響。其中防飽和氣隙是電感器在輸出引起低頻紋波重要原因，常常不易判斷，這個紋波的頻率隨氣隙的大小而變，范圍在幾百赫茲內。幅度大小與輸出電壓的值有一定關系，且不成比例，如圖3所示。但電感磁芯沒有氣隙，又易飽和。非閉合磁芯，又使體積變很大，相對而言，設計了功率容量放大，不開氣隙的磁芯，使問題解決?！　?/P>

3.結束語　　

經(jīng)測試，無論是空載還是負載，輸出電壓在1～100V變化時，相應紋波在0.6～50mV之間，電源的其它工作和指標也都達到要求。電源在工程現(xiàn)場順利地通過了工程控制系統(tǒng)自運行、發(fā)火引爆試驗、測控系統(tǒng)聯(lián)試、發(fā)動機點火熱試車等工作的考核驗證，已正式投入使用。這表明高功率調寬變換器型穩(wěn)壓電源可以很好的做到寬范圍的連續(xù)可調和超低紋波要求，拓寬了高功率普通硬開關電源的用途。