機載高頻開關(guān)電源工作原理及設計簡介

　機載高頻開關(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、航空航天、艦船、機車以及導彈發(fā)射等專門用途所設計的。應用戶要求，研制出機載高頻開關(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，提高我軍裝備的機動性，高性能都有重要的意義。

　　機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，115V/400Hz電源波動小，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備部件使用，必須將供電電源進行隔離并穩(wěn)壓成為需要的直流電源才能使用。機載電源的使用環(huán)境比較惡劣，必須適應寬范圍溫度正常工作，并能經(jīng)受沖擊、震動、潮濕等應力篩選試驗，因此設計機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℃，完全適應軍品級電源的需要。

　　系統(tǒng)構(gòu)成及主回路設計

　　圖1所示為整機電路原理框圖。它的設計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現(xiàn)270～380Vdc可調(diào)節(jié)輸出穩(wěn)壓的性能要求。

　　圖1 整機電路原理框圖

　　升壓功率因數(shù)校正電路主要使輸入功率因數(shù)滿足指標要求，同時實現(xiàn)升壓預穩(wěn)功能。本部分設計兼顧功率因數(shù)電路達到0.92的要求，又使DC/DC輸入電壓適當，不致使功率因數(shù)校正電路工作負擔過重，因此設定在330～350Vdc。

　　隔離式DC/DC變換器電路拓撲結(jié)構(gòu)形式主要有以下幾種：正激、反激、全橋、半橋和推挽。反激和正激拓撲主要應用在中小功率電源中，不適合本電源的3000W輸出功率要求。全橋拓撲雖然能輸出較大的功率，但結(jié)構(gòu)相對較為復雜。推挽電路結(jié)構(gòu)中的開關(guān)管電壓應力很高，并且在推挽和全橋拓撲中都可能出現(xiàn)單向偏磁飽和，使開關(guān)管損壞。而半橋電路因為具有自動抗不平衡能力，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計，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)設計

　　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。其原理是將二極管DB反向恢復的能量和SWB關(guān)斷時儲存在C2中的能量在SWB導通時轉(zhuǎn)移到C1中。在SWB關(guān)斷時，L1中的儲能向C2充電，并通過D1、D2、D3轉(zhuǎn)移到CB中，同時也向CB放電，用這種電路實現(xiàn)了零電壓關(guān)斷和零電流導通，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，并且導通損耗和應力很小。

　　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)斷時很快下降到初始值的5%，但減少到零的時間較長，約1～1.5μs，在硬開關(guān)模式下會導致很大的開關(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)動的延遲時間可使半橋平衡，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，很容易實現(xiàn)。但當輕載或無載時，脈寬很窄(例如小于0.3μs)，此時的IGBT/MOSFET延遲已取消。因此在窄脈寬時，為保持其平衡，我們采用了一個低頻振蕩器。當脈寬小于0.3μs時，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