80V 25A高精度穩(wěn)流電源的研制

1　引言

作為電真空微波放大管的一種，速調(diào)管以其功率大p效率高的優(yōu)勢得到了廣泛的應(yīng)用。而速調(diào)管一般都需要外加一個(gè)聚焦磁場。為了使速調(diào)管電子槍所打出的電子注不被散射損耗掉，這就要求磁場電源具有較好的電流穩(wěn)定度。

2　性能指標(biāo)

(1) 輸入：三相50Hz、380V;

(2) 輸出：額定電壓80V，額定電流25A，要求0∽25A連續(xù)可調(diào);

(3) 輸出電流紋波：0.08A;

(4) 輸出電流穩(wěn)定度：0.08A;

(5) 提供電源過流保護(hù),電源過壓/欠壓保護(hù);

3　電路原理

3.1 主回路

主回路采用Buck變換器,原理框圖如圖1所示

圖1　 主回路框圖

3.1.1　原理簡介：

50Hz、380V三相交流輸入電壓經(jīng)EMI電網(wǎng)濾波器阻斷噪音信號(hào)，通過隔離變壓器降成100V左右的交流電壓，再經(jīng)過整流濾波，變成Buck變換器所需要的平滑直流電壓。圖1中，當(dāng)N1或者N2導(dǎo)通時(shí)，電感L1在未飽和前，電流線形增加，電感L1的極性為左正右負(fù)，二極管V1處于關(guān)斷狀態(tài)。當(dāng)N1和N2都關(guān)斷時(shí)，由于電感L1中的磁場作用，改變L1兩端的電壓極性，左負(fù)右正，續(xù)流二極管V1導(dǎo)通，以保證輸出電壓和電流不變。由于磁場負(fù)載是一個(gè)感性負(fù)載，當(dāng)電源不工作時(shí)，磁場負(fù)載必然會(huì)產(chǎn)生一個(gè)反向的電壓，二極管V2用來將這一反向的負(fù)載能量釋放掉。

3.1.2 關(guān)鍵元器件的選擇

(1)　開關(guān)管N1，N2的選擇：采用三菱公司100A單管IGBT（CM100H-12）。絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）具有MOSFET的工作速度快、輸入阻抗高、驅(qū)動(dòng)電路簡單和GTR的阻斷電壓高、飽和導(dǎo)通壓降低、載流能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)采用變壓器隔離。與不用變壓器，直接驅(qū)動(dòng)相比，主回路對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的干擾小，不易引起震蕩。由于變壓器工作比的限制，若只用一個(gè)IGBT,使得占空比不能超過50%。因此，開關(guān)管由兩個(gè)IGBT并聯(lián)，用控制電路輸出的相位相差180的脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)。這樣，占空比就能達(dá)到96%，使得輸出電流能在很寬范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。而且，開關(guān)管的損耗也能減少一半。

(2)　反饋采樣電路：通常，電源的反饋采樣都采用電阻的形式。然而，由于本電源的輸出電流較大，若使用電阻采樣，電阻的功耗比較大。電阻的過分發(fā)熱，必然會(huì)引起電阻阻值的變化，從而引起反饋采樣電壓的變化，無法滿足電源的電流精度要求。這部分功耗，對(duì)整個(gè)電源而言，也是無用的能量損耗。而且，電阻的體積也比較大。采用電阻反饋顯然是不可取的。因此，采用額定值25A的霍爾電流傳感器（CSM025A）作為反饋的采樣。該傳感器具有良好的線性度、抗干擾能力強(qiáng)、低溫漂、寬頻帶等優(yōu)點(diǎn)，能夠很好的滿足電源的電流精度要求。

3.2 驅(qū)動(dòng)電路

驅(qū)動(dòng)電路的原理框圖如圖2所示

圖2　　 驅(qū)動(dòng)電路框圖

3.2.1 驅(qū)動(dòng)電路的選擇:

目前生產(chǎn)的開關(guān)電源大多采用PWM脈寬調(diào)制方式，少數(shù)采用PFM脈沖頻率調(diào)制。PWM的缺點(diǎn)是受功率開關(guān)管最小導(dǎo)通時(shí)間的限制，對(duì)輸出電壓不能作寬范圍的調(diào)節(jié)；另外，輸出端一般要接假負(fù)載，以防止空載時(shí)輸出電壓升高。PFM式開關(guān)電源的輸出電壓調(diào)節(jié)范圍很寬，輸出端可以不接負(fù)載。本電源要求在0∽25A寬范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，因此采用PFM的方式。

3.2.2 原理簡介：

圖2中，壓控震蕩器VCO輸出頻率由運(yùn)算放大器的輸出電壓Vo控制的方波，經(jīng)定時(shí)器、二分頻器和驅(qū)動(dòng)放大電路后形成兩路寬度相同的交替脈沖。再經(jīng)過驅(qū)動(dòng)變壓器T1、T2隔離后，去分別驅(qū)動(dòng)主回路中的N1、N2兩只IGBT。R2、R3、V2、V3構(gòu)成IGBT柵極與發(fā)射極的快速放電回路，和變壓器T1一起構(gòu)成IGBT的驅(qū)動(dòng)電路。這種驅(qū)動(dòng)方法既簡單適用又可靠。

3.3 保護(hù)電路

本電源要求提供過流、過壓、欠壓保護(hù)。保護(hù)電路原理框圖如圖3所示。

圖3　保護(hù)電路框圖

3.3.1 原理簡介：

圖3中，當(dāng)電源產(chǎn)生過流、過壓、欠壓故障時(shí)，V1、V2、V3為高電平，D觸發(fā)器檢測到該脈沖電平，鎖存故障。再送入到或門，使得故障輸出V7為高電平。V7分為兩路：一路送到驅(qū)動(dòng)電路中，關(guān)掉驅(qū)動(dòng)，保護(hù)主回路IGBT開關(guān)管；另一路送到控制保護(hù)電路中，關(guān)斷三相380的輸入。

3.3.2 欠壓故障的處理方法：

由于電源慢啟動(dòng)的存在，在電源沒有達(dá)到額定電流之前，電源必然會(huì)報(bào)出欠壓故障。所以，在電源開機(jī)穩(wěn)定之前要將欠壓故障先屏蔽掉。作者使用了NE555的單穩(wěn)態(tài)定時(shí)器。圖3中，二極管D1、D2構(gòu)成或門電路。開機(jī)通電的同時(shí)，定時(shí)器的輸出電壓V4為高電平,采樣電壓V5為低電平。此時(shí)，V6為高電平，沒有欠壓故障。當(dāng)電源達(dá)到額定電流時(shí)，V5為高電平，定時(shí)器仍然為高電平。當(dāng)定時(shí)器所設(shè)定的時(shí)間到了，定時(shí)器輸出V4為低電平，由于V5已變成高電平，V6始終為高電平。這時(shí)，定時(shí)器不再起作用，電源能夠正常采樣欠壓故障。

4　結(jié)論

該電源已應(yīng)用于某型號(hào)氣象雷達(dá)的發(fā)射機(jī)上，無故障運(yùn)行3年，工作穩(wěn)定，性能可靠。

參考文獻(xiàn)

[1]張占松、蔡宣三，開關(guān)電源的原理與設(shè)計(jì)，電子工業(yè)出版社，2001

[2]何希才，新型開關(guān)電源設(shè)計(jì)與應(yīng)用，科學(xué)出版社，2001