基于開關(guān)電源的模塊的設(shè)計(jì)

0 引言

隨著我國科技生產(chǎn)水平的不斷提高，各行各業(yè)對(duì)供電質(zhì)量的要求越來越高，而智能高頻開關(guān)電源作為一種繼電保護(hù)裝置和控制回路裝置，為生活和生產(chǎn)中的供電的可靠性提供了有力的保障。當(dāng)市電供電中斷時(shí)還可以作為后備電源，所以說智能高頻開關(guān)電源是對(duì)供電質(zhì)量保證的重要組成部分之一。它具有高度靈活組合、自主監(jiān)控的特點(diǎn)，另外可靠性強(qiáng)、穩(wěn)定性好且具有體積小、噪聲低、節(jié)能高效、維護(hù)方便等也是它的一大優(yōu)點(diǎn)。

可以說智能高頻開關(guān)電源是一種集計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、通信技術(shù)于一體的高科技產(chǎn)品，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)診斷、自動(dòng)測(cè)試和自動(dòng)控制。本文主要闡述的是智能高頻開關(guān)電源的整流模塊的設(shè)計(jì)方案。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)介紹

智能高頻開關(guān)電源系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)主要由主監(jiān)控單元、配電模塊、交流配電單元、整流模塊等組成，系統(tǒng)總體的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。系統(tǒng)中的各個(gè)監(jiān)控單元受主監(jiān)控單元的管理和控制，通過通信線將各個(gè)監(jiān)控單元采集的信息送給主監(jiān)控統(tǒng)一管理。主監(jiān)控顯示直流系統(tǒng)各種信息，用戶也可以觸摸顯示屏查詢信息及操作，系統(tǒng)信息還可以接入到遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中。系統(tǒng)除了交流監(jiān)控、直流監(jiān)控、開關(guān)量監(jiān)控等基礎(chǔ)單位外，還配置了絕緣監(jiān)測(cè)、降壓裝置、電池巡檢等功能單元，以達(dá)到對(duì)直流系統(tǒng)進(jìn)行全面監(jiān)控的目的。

圖1 系統(tǒng)控制原理圖

工作時(shí)兩路市電(交流)經(jīng)過交流切換裝置輸入一路交流，給各個(gè)整流模塊供電。整流模塊將輸入三相交流電轉(zhuǎn)換為直流電，給備用電源(蓄電池)充電，同時(shí)也給合閘母線負(fù)載供電，另外合閘母線通過降壓裝置給控制母線供電。所以說本文設(shè)計(jì)的整流模塊是將整流和充電兩項(xiàng)功能結(jié)合于一體的一種新型的整流模塊。

2 整流模塊的設(shè)計(jì)

整流模塊是智能高頻開關(guān)電源系統(tǒng)中的一個(gè)重要部分，關(guān)系到系統(tǒng)的直流電壓輸出和工作時(shí)電壓輸出的穩(wěn)定狀況。本文的設(shè)計(jì)主要是對(duì)模塊整流原理的改進(jìn)和完善，利用無源PFC和DC/DC變換器的原理，使得改進(jìn)后的模塊能夠有效完成整流作用。

本文設(shè)計(jì)的整流模塊的工作原理框圖如圖2所示，工作時(shí)，模塊首先通過過防雷處理和濾波對(duì)輸入的三相交流進(jìn)行處理，這樣才能保證模塊后級(jí)電路的安全;經(jīng)過處理后的三相交流經(jīng)過整流和無源PFC后轉(zhuǎn)換成高壓直流時(shí)，這時(shí)轉(zhuǎn)換的高壓直流要經(jīng)過DC/DC變換器再次轉(zhuǎn)換成可變的直流電壓輸出;另外模塊控制部分還有負(fù)責(zé)過壓、過流以及短路保護(hù)等作用，這樣才能保證輸出電壓的穩(wěn)定，也同時(shí)能對(duì)模塊各部件進(jìn)行保護(hù)。模塊還在遠(yuǎn)程監(jiān)控中提供了四遙(遙控、遙調(diào)、遙測(cè)、遙信)接口。

圖2 整流模塊的的工作原理圖

即功率因數(shù)校正(PowerFactorCorrection,PFC)是指有效功率與總耗電量(視在功率)之間的關(guān)系，也就是有效功率除以總耗電量(視在功率)的比值。無源PFC是指不使用晶體管等一些有源器件組成的校正電路，一般情況下由二極管、電阻、電容和電感等無源器材組成。本文的PFC主要是在整流橋堆和濾波電容之間加1個(gè)電感，具體原理如圖3所示，利用電感上的電流不能突變的特性來平滑電容充電強(qiáng)脈沖的波動(dòng)，改善電路中電流的畸變，并且利用電感上的電壓超前于電流這一特性來補(bǔ)償濾波電容電流超前電壓的特性，使功率因數(shù)和電磁干擾都得以改善。

這種方式只是一種簡(jiǎn)單的補(bǔ)償措施，只能做到抑制電流瞬時(shí)突變的目的，但電流畸變的校正及功率因數(shù)的補(bǔ)償能力都很差。

DC/DC變換器將一個(gè)固定的直流電壓變換為可變的直流電壓，這種控制具有加速平穩(wěn)、快速響應(yīng)的性能，同時(shí)可以收到節(jié)約電能的效果。用直流斬波器代替變阻器可節(jié)約20%~30%的電能。直流斬波器不僅能起到調(diào)壓作用，還能起到有效抑制電網(wǎng)側(cè)諧波電流噪聲的作用。

圖3 無源PFC原理圖

本文的DC/DC變換器采用雙管正激式DC/DC變換器，它的原理如圖4所示，變壓器T1起隔離和變壓的作用，在輸出端要加一個(gè)電感器Lo(續(xù)流電感)起能量的儲(chǔ)存及傳遞作用，變壓器初級(jí)無再有復(fù)位繞組，因?yàn)閂D1,VD2的導(dǎo)通限制了兩個(gè)調(diào)整管關(guān)斷時(shí)所承受的電壓。輸出回路需有一個(gè)整流二極管VD3和一個(gè)續(xù)流二極管VD4(VD3,VD4最好均選用恢復(fù)時(shí)間快的整流管)。輸出濾波電容CO應(yīng)選擇低、大容量的電容，這樣有利于降低紋波電壓。雙管正激式DC/DC變換器的工作特點(diǎn)如下：

(1)在任何工作條件下，為使兩個(gè)開關(guān)管所承受的電壓不會(huì)超過UIN,Ud(UIN為輸入電壓;Ud為VD1,VD2的正向壓降),VD1,VD2必須是快恢復(fù)管，其在實(shí)際設(shè)計(jì)和調(diào)試中恢復(fù)時(shí)間越短越好。

(2)與單端正激式DC/DC變換器相比，它無須復(fù)位電路，這有利于簡(jiǎn)化電路和變壓器的設(shè)計(jì);它的功率器件可選擇較低的耐壓值;它功率等級(jí)也會(huì)很大。