機(jī)載高頻開關(guān)電源的設(shè)計(jì)與研制

　　問題的描述

　　機(jī)載高頻開關(guān)電源產(chǎn)品專門用于輸入交流400Hz的場合，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)射等專門用途所設(shè)計(jì)的。應(yīng)用戶要求，研制出機(jī)載高頻開關(guān)電源產(chǎn)品對電子武器裝備系統(tǒng)的國產(chǎn)化，打破國際封鎖，提高我軍裝備的機(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)缺點(diǎn)，115V/400Hz電源波動(dòng)小，需要器件的耐壓相對較高;而28V直流電源卻相反，一般不能直接提供給設(shè)備部件使用，必須將供電電源進(jìn)行隔離并穩(wěn)壓成為需要的直流電源才能使用。機(jī)載電源的使用環(huán)境比較惡劣，必須適應(yīng)寬范圍溫度正常工作，并能經(jīng)受沖擊、震動(dòng)、潮濕等應(yīng)力篩選試驗(yàn)，因此設(shè)計(jì)機(jī)載電源的可靠性給我們提出了更高的要求。下面主要介紹115V/400Hz中頻交流輸入方式所研制的開關(guān)電源，它的輸出電壓270～380Vdc可以調(diào)節(jié)，輸出功率不小于3000W，環(huán)境溫度可寬至-40℃～+55℃，完全適應(yīng)軍品級電源的需要。

　　系統(tǒng)構(gòu)成及主回路設(shè)計(jì)

　　圖1所示為整機(jī)電路原理框圖。它的設(shè)計(jì)主要通過升壓功率因數(shù)校正電路及DC/DC變換電路兩部分完成。115Vac/400Hz中頻交流電源經(jīng)輸入濾波，通過升壓功率因數(shù)校正(PFC)電路完成功率因數(shù)校正及升壓預(yù)穩(wěn)、能量存儲，再通過DC/DC半橋變換、高頻整流濾波器、輸出濾波電路以及反饋控制回路實(shí)現(xiàn)270～380Vdc可調(diào)節(jié)輸出穩(wěn)壓的性能要求。

　　圖1 整機(jī)電路原理框圖

　　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)要求，同時(shí)實(shí)現(xiàn)升壓預(yù)穩(wěn)功能。本部分設(shè)計(jì)兼顧功率因數(shù)電路達(dá)到0.92的要求，又使DC/DC輸入電壓適當(dāng)，不致使功率因數(shù)校正電路工作負(fù)擔(dān)過重，因此設(shè)定在330～350Vdc。

　　隔離式DC/DC變換器電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式主要有以下幾種：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，不適合本電源的3000W輸出功率要求。全橋拓?fù)潆m然能輸出較大的功率，但結(jié)構(gòu)相對較為復(fù)雜。推挽電路結(jié)構(gòu)中的開關(guān)管電壓應(yīng)力很高，并且在推挽和全橋拓?fù)渲卸伎赡艹霈F(xiàn)單向偏磁飽和，使開關(guān)管損壞。而半橋電路因?yàn)榫哂凶詣?dòng)抗不平衡能力，而且相對較為簡單，開關(guān)管數(shù)量較少且電壓電流應(yīng)力都比較適中，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)組合開關(guān)技術(shù)和半橋電路平衡控制技術(shù)。經(jīng)過分析計(jì)算，采用雙E65磁芯，初級線圈12匝，次級繞組圈15匝。

　　關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)

　　1功率因數(shù)校正技術(shù)和無源無耗緩沖電路

　　具有正弦波輸入電流的單相輸入個(gè)功率因數(shù)校正電路在開關(guān)電源中的使用越來越廣泛，圖2所示為升壓功率因數(shù)校正和無源無耗緩沖電路。

　　圖2 功率因數(shù)校正和新型的無源無耗緩沖電路

　　采用無源無耗緩沖電路，元件全部采用L、C、D等無源器件，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控制主開關(guān)SWB，其緩沖電路是不需控制的，并且具有電路簡單的特點(diǎn)。其原理是將二極管DB反向恢復(fù)的能量和SWB關(guān)斷時(shí)儲存在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中的儲能向C2充電，并通過D1、D2、D3轉(zhuǎn)移到CB中，同時(shí)也向CB放電，用這種電路實(shí)現(xiàn)了零電壓關(guān)斷和零電流導(dǎo)通，有效地減少損耗，提高了電路的效率和可靠性。

　　該電路的主要特點(diǎn)是：

　　開關(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)值決定。

　　開關(guān)SWB上最大電流上升率由L1和V1決定，并且導(dǎo)通損耗和應(yīng)力很小。

　　開關(guān)SWB上最大電壓率由C2決定，并且關(guān)斷功耗和應(yīng)力很小。

　　在開關(guān)周期中，為獲得電流和電壓上升率的控制而儲存在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損耗工作。

　　2 IGBT/MOSFET并聯(lián)組合開關(guān)技術(shù)

　　圖3所示為IGBT/MOSFET并聯(lián)組合開關(guān)電路及工作波形圖。與MOSFET相比，IGBT通態(tài)電壓很低，電流在關(guān)斷時(shí)很快下降到初始值的5%，但減少到零的時(shí)間較長，約1～1.5μs，在硬開關(guān)模式下會(huì)導(dǎo)致很大的開關(guān)損耗。在組合開關(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。

　　圖3 IGBT/MOSFET并聯(lián)組合開關(guān)電路及工作波形圖

　　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。但需工作頻率相對較低，一般選取20～40kHz。由于半橋組合開關(guān)只需兩個(gè)開關(guān)，總的開關(guān)器件的數(shù)目少，使可靠性顯著提高。

　　3 半橋電路平衡控制技術(shù)

　　通過控制和調(diào)整 IGBT/MOSFET柵驅(qū)動(dòng)的延遲時(shí)間可使半橋平衡，避免變壓器偏磁飽和過流，燒毀開關(guān)管。這在脈沖較寬大時(shí)，很容易實(shí)現(xiàn)。但當(dāng)輕載或無載時(shí)，脈寬很窄(例如小于0.3μs)，此時(shí)的IGBT/MOSFET延遲已取消。因此在窄脈寬時(shí)，為保持其平衡，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)生器間歇工作，保持脈寬不小于0.3μs，以維持半橋平衡，使其在無載時(shí)能正常工作。

　　由于工作頻率較低，組合開關(guān)的開關(guān)損耗很小，通態(tài)損耗也很小。

　　圖4 半橋電路平衡控制電路

　　4 多重環(huán)路控制電路

　　平均電流模式控制系統(tǒng)采用PI調(diào)節(jié)器，需要確定比例系數(shù)和零點(diǎn)兩個(gè)參數(shù)。調(diào)節(jié)器比例系數(shù)KP的計(jì)算原則是保證電流調(diào)節(jié)器輸出信號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)，在開關(guān)頻率所對應(yīng)的角頻率的1/10～1/20處，以獲得在開環(huán)截止頻率處較充足的相位裕量。

　　另外，在PI調(diào)節(jié)器中增加一個(gè)位于開關(guān)頻率附近的極點(diǎn)，用來消除開關(guān)過程中產(chǎn)生的噪聲對控制電路的干擾，這樣的PI調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)如圖5所示。

　　圖5 具有濾波功能的PI調(diào)節(jié)器

　　控制電路的核心是電壓、電流反饋控制信號的設(shè)計(jì)。為了保證在系統(tǒng)穩(wěn)定性的前提下提高反應(yīng)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，并且有限流功能。設(shè)計(jì)電路增加了對輸出電感電流采樣后的差分放大，隔直后加入到反饋環(huán)中參與控制，調(diào)節(jié)器增益可通過后級帶電位器的放大環(huán)節(jié)進(jìn)行調(diào)節(jié)。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)載突變的情況下，沒有大的輸出電壓過沖。

　　5提高散熱效果，降低熱阻

　　為了減小整機(jī)體積，達(dá)到合理的功率密度，采用了強(qiáng)迫風(fēng)冷方式。對于風(fēng)冷散熱器來說，風(fēng)速的大小直接關(guān)系到散熱效果的優(yōu)劣。由于要求前后通風(fēng)，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮：

　　保證風(fēng)速達(dá)到一定的要求(V= 6m/s)，并考慮風(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)根本就吹不過去或風(fēng)速很低，達(dá)不到提高散熱率的目的。

　　由于散熱器及翼片間隙同風(fēng)道與散熱器間隙有很大差別，當(dāng)風(fēng)壓過低時(shí)，可以在進(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。

　　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關(guān)管、輸出整流管通過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，采用前進(jìn)風(fēng)后出風(fēng)方式。

　　軍用高頻開關(guān)電源產(chǎn)品不但要考慮電源本身參數(shù)設(shè)計(jì)，還要考慮電氣設(shè)計(jì)、電磁兼容設(shè)計(jì)、熱設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、安全性設(shè)計(jì)和三防設(shè)計(jì)等方面。因?yàn)槿魏畏矫婺呐率亲钗⑿〉氖韬?，都可能?dǎo)致整個(gè)電源的崩潰，所以我們應(yīng)充分認(rèn)識到軍用高頻開關(guān)電源產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)的重要性。

　　試驗(yàn)結(jié)果

　　對設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖6～8所示。

　　圖6 DC/DC初級電壓波形(滿載)

　　圖7 DC/DC次級電壓波形(滿載)

　　圖8 高頻電感電流模擬器波形

　　從表1可以看出，測試結(jié)果符合協(xié)議的規(guī)定，其中功率因數(shù)、效率、電源調(diào)整率、負(fù)載調(diào)整率、輸出噪聲等參數(shù)優(yōu)于協(xié)議要求。