電力用15KW全橋移相整流模塊的設(shè)計(jì)

1 方案框圖
該模塊方案框圖如圖1所示。

2 主要技術(shù)方案設(shè)計(jì)
2．1 移相全橋軟開關(guān)DC／DC變換
移相全橋軟開關(guān)DC／DC變換包括軟開通和軟關(guān)斷。普通PWM變換器是改變驅(qū)動(dòng)信號(hào)脈沖寬度來調(diào)解輸出電壓，它在功率管開關(guān)期間存在很大損耗，故采用硬開關(guān)技術(shù)的電源模塊的尖刺干擾大，可靠性差，效率低。而采用移相控制技術(shù)控制全橋來實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)的電源模塊，是通過改變兩臂對(duì)角線上下功率管驅(qū)動(dòng)信號(hào)移相角的大小來調(diào)節(jié)輸出電壓，讓超前橋臂功率管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)領(lǐng)先滯后橋臂功率管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)一個(gè)相位，用專用移相控制芯片UC3875對(duì)同一橋臂的兩個(gè)反相驅(qū)動(dòng)電壓設(shè)置不同的死區(qū)時(shí)間，利用變壓器漏感、變壓器初級(jí)外串的諧振電感和功率管結(jié)電容、寄生電容、功率管源漏之間外并的諧振電容完成諧振過程，實(shí)現(xiàn)零電壓開通和零電壓關(guān)斷，從而能夠使得功率管在開關(guān)過程中避免電流與電壓同時(shí)處于較高值的硬開關(guān)狀態(tài)，抑制感性關(guān)斷電壓尖峰和容性開通時(shí)功率管溫度過高，減少了開關(guān)損耗與干擾，提高電源整機(jī)的可靠性。
2．2 基本全橋PWM變換器及其控制
全橋變換器適用于中大功率應(yīng)用。圖2是基本電路結(jié)構(gòu)和控制策略。

2．3 移相控制ZVS-PWM DC／DC全橋變換器
全橋變換器的軟開關(guān)技術(shù)，對(duì)降低損耗和提高頻率具有的實(shí)用價(jià)值。移相控制零電壓開關(guān)PWM變換器利用變壓器的漏感或原邊串聯(lián)電感和功率管的寄生電容或外接電容實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)。電路主橋結(jié)構(gòu)及主要波形如圖3所示。

2．4 控制方法
控制采用UC3875專用芯片，該芯片的內(nèi)部方框圖如圖4所示。

該專用芯片有如下特點(diǎn)：
(1)獨(dú)立可編程開通延時(shí)、零延時(shí)可能；
(2)電壓、電流控制模式均可；
(3)高頻化，實(shí)用的開關(guān)頻率可達(dá)300kHz，誤差放大器帶寬達(dá)10MHz；
(4)四個(gè)圖騰柱結(jié)構(gòu)輸出驅(qū)動(dòng)電流達(dá)100mA；
(5)時(shí)鐘同步信號(hào)輸入輸出方便；
(6)快速保護(hù)功能，含欠壓鎖定、過流保護(hù)等。
2．5 功率器件的選定及功率變壓器的設(shè)計(jì)
利用UC3875N四個(gè)圖騰柱結(jié)構(gòu)輸出驅(qū)動(dòng)電流大的特點(diǎn)，使其驅(qū)動(dòng)DC／DC功率變換橋，DC／DC功率變換橋由IXFH23N80Q組成，開關(guān)頻率設(shè)定為66kHz，功率變壓器是模塊的“心臟”部分，它的選材、計(jì)算及繞制方法等將關(guān)系到所設(shè)計(jì)模塊的成敗及性能的好壞，必須高度重視。功率變壓器設(shè)計(jì)必須是：當(dāng)模塊輸出滿載，輸入電網(wǎng)最低時(shí)，仍要滿足系統(tǒng)的正常工作。
為了便于散熱，DC／DC功率變換橋的功率變壓器是由若干個(gè)變壓器串聯(lián)組成，變壓器磁芯選用多付ETD49，繞組用多股漆包線繞制。
2．6 移相全橋軟開關(guān)(FB-ZVS-PWM)實(shí)現(xiàn)要點(diǎn)
(1)同一橋臂(超前橋臂或滯后橋臂)上下某一功率管關(guān)斷即開始諧振，諧振的目的是為了使另一功率管零電壓導(dǎo)通創(chuàng)造條件。
(2)功率管源極、漏極之間并聯(lián)電容，且主變壓器的初級(jí)處于穩(wěn)態(tài)工作狀態(tài)是功率管實(shí)現(xiàn)零電壓關(guān)斷的條件。
(3)主變壓器原邊通過功率管的體二極管處于續(xù)流狀態(tài)是功率管實(shí)現(xiàn)零電壓開通的條件。
(4)零電壓關(guān)斷好實(shí)現(xiàn)、超前橋臂零電壓開通亦好實(shí)現(xiàn)，但滯后橋臂的零電壓開通不好實(shí)現(xiàn)，原因是滯后臂換流期，輸出濾波電感，未參與諧振與滯后。
(5)普通PWM變換器是改變驅(qū)動(dòng)信號(hào)脈沖寬度來調(diào)解輸出電壓，它不能實(shí)現(xiàn)電源輸出電壓從零可調(diào)，而移相控制全橋軟開關(guān)電源，是通過改變兩臂對(duì)角線上下功率管驅(qū)動(dòng)信號(hào)移相角的大小來調(diào)節(jié)輸出電壓，所以它能實(shí)現(xiàn)電源輸出電壓從零可調(diào)。

3 N+1冗余備份中模塊之間的均流技術(shù)
每臺(tái)模塊均帶有先進(jìn)的動(dòng)態(tài)跟蹤實(shí)時(shí)處理均流電路，可由任意若干臺(tái)電源并聯(lián)組成大容量電源系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)任意多臺(tái)電源在總額定負(fù)載范圍內(nèi)民主均流工作。本功能不影響模塊包括穩(wěn)定度在內(nèi)的任何指標(biāo)。
均流框圖如圖5所示，這種均流方式采用一個(gè)窄帶電流放大器，輸出端通過電阻R連至均流母線上，N個(gè)單元采用N個(gè)這種結(jié)構(gòu)。當(dāng)輸出達(dá)到均流時(shí)，電流放大器輸出電流，I1為零，這時(shí)，IO1處于均流工作狀態(tài)，反之，在電阻R上產(chǎn)生一個(gè)Uab，由這個(gè)電壓控制IC102，由IC103來控制功率變換器，最終達(dá)到均流，開關(guān)K在所在單元正常工作時(shí)，是閉合的。當(dāng)該單元發(fā)生故障時(shí)，K打開使該單元脫離均流工作，使其它幾個(gè)單元正常工作。

4 輸入過壓、欠壓保護(hù)和輸出限流、過流保護(hù)回路的設(shè)計(jì)
本電源設(shè)有獨(dú)立的輸入故障檢測(cè)系統(tǒng)，檢測(cè)輸入過壓、欠壓。用上行遲滯比較器來實(shí)現(xiàn)輸入欠壓保護(hù)，欠壓保護(hù)動(dòng)作即封鎖脈沖，電源無輸出，同時(shí)在電源輸入回路串入軟起動(dòng)電阻。欠壓保護(hù)解除，控制軟起動(dòng)電阻的繼電器動(dòng)作使電源輸入回路軟
起動(dòng)電阻切除。用下行遲滯比較器來實(shí)現(xiàn)輸入過壓保護(hù)，過壓時(shí)即封鎖脈沖電源無輸出，同時(shí)在電源輸入回路串入軟起動(dòng)電阻。模塊的輸出設(shè)有限流保護(hù)和過流保護(hù)，當(dāng)電流突然增加達(dá)到一定數(shù)值后，首先限流回路啟動(dòng)，若電流沒有限在規(guī)定的數(shù)值，那么過流回路馬上啟動(dòng)。所有這些均為可恢復(fù)性保護(hù)，當(dāng)所發(fā)生故障消失后，模塊能自動(dòng)恢復(fù)工作。

5 熱設(shè)計(jì)
電子產(chǎn)品對(duì)工作溫度一般均有嚴(yán)格的要求。電源設(shè)備內(nèi)部過高的溫升將會(huì)導(dǎo)致對(duì)溫度敏感的半導(dǎo)體器件、電解電容等元器件的失效。當(dāng)溫度超過一定值時(shí)，失效率呈指數(shù)規(guī)律增加。有統(tǒng)計(jì)資料表明，電子元器件溫度每升高2℃，可靠性下降10％；溫升50℃時(shí)的壽命只有溫升為25℃時(shí)的1／6。所以電子設(shè)備均會(huì)遇到控制整個(gè)機(jī)箱及內(nèi)部元器件溫升的要求，這就是電子設(shè)備的熱設(shè)計(jì)。而高頻開關(guān)電源這一類擁有大功率發(fā)熱器件的設(shè)備，溫度更是影響其可靠性的最重要的因素，為此對(duì)整體的熱設(shè)計(jì)有嚴(yán)格要求。完整的熱設(shè)計(jì)包括兩方面：如何控制熱源的發(fā)熱量；如何將熱源產(chǎn)生的熱量散出去。最終目的是如何將達(dá)到熱平衡后的電子設(shè)備溫度控制在允許范圍以內(nèi)。
5．1 功率開關(guān)管的熱設(shè)計(jì)
散熱方式為采用一塊合適的散熱器，由于開關(guān)管是高頻開關(guān)電源中發(fā)熱量較大的器件之一，減少它的發(fā)熱量，不僅可以提高開關(guān)管自身的可靠性，而且也可以降低整機(jī)溫度，提高整機(jī)效率和平均無故障時(shí)間(MTBF)。開關(guān)管在正常工作時(shí)，呈開通、關(guān)斷兩種狀態(tài)，所產(chǎn)生的損耗可細(xì)分成兩種臨界狀態(tài)的損耗，由開關(guān)管本身的通態(tài)和關(guān)斷產(chǎn)生的損耗，其中導(dǎo)通狀態(tài)的損耗由開關(guān)管本身的通態(tài)電阻(RON)決定?？梢酝ㄟ^選擇低通態(tài)電阻的開關(guān)管來減少這種損耗。MOSFET的通態(tài)電阻較IGBT的大，但它的工作頻率高，因此仍是開關(guān)電源設(shè)計(jì)的首選器件。開關(guān)電源中主要的發(fā)熱元器件為半導(dǎo)體開關(guān)管MOS管、大功率二極管等，高頻變壓器、濾波電感等磁性元件以及假負(fù)載等。針對(duì)每一種發(fā)熱元器件均有不同的控制發(fā)熱量的方法。這些發(fā)熱器件同散熱器之間存在界面熱阻，各種元器件要考慮到100％的可靠性，應(yīng)該要有較好的散熱方式。采用熱阻抗較小的薄型導(dǎo)熱絕緣膠片解決此問題就是首選方案。
5．2 輸出整流二極管的熱設(shè)計(jì)
對(duì)于高頻開關(guān)電源輸出整流二極管的一般情況下均不會(huì)有更優(yōu)的控制技術(shù)來減少損耗，只能通過選擇高品質(zhì)的器件，如采用導(dǎo)通壓降低、關(guān)斷速度快且軟恢復(fù)的超快恢復(fù)二極管，來減少損耗，降低發(fā)熱量。
5．3 高頻變壓器與濾波電感等磁性元件的熱設(shè)計(jì)
高頻開關(guān)電源中不可缺少地應(yīng)用了各種磁性元件，濾波器中的扼流圈、儲(chǔ)能濾波電感，隔離型的電源還有高頻變壓器。它們?cè)诠ぷ髦袝?huì)產(chǎn)生或多或少的銅損、鐵損，這些損耗以發(fā)熱的方式散發(fā)出來。尤其是電感和變壓器，線圈中所流的高頻電流由于趨膚效應(yīng)的影響，會(huì)使銅損成倍增加，這樣電感、變壓器所產(chǎn)生的損耗成為不可忽視的一部分。因此，在設(shè)計(jì)上要采用多股細(xì)漆包線組成的勵(lì)磁線纏繞，以降低趨膚效應(yīng)造成的影響。
5．4． 假負(fù)載的熱設(shè)計(jì)
大功率開關(guān)電源為避免空載狀態(tài)引起的電壓升高，往往設(shè)有假負(fù)載――大功率電阻，開關(guān)電源工作時(shí)，假負(fù)載要通過少量電流，不但會(huì)降低開關(guān)電源的效率，而且其發(fā)熱量也是影響整機(jī)熱穩(wěn)定性的因素。假負(fù)載在印制板(PCB)上的位置往往與輸出濾波用電解電容靠得很近，而電解電容對(duì)溫度極為敏感。因此，很有必要降低假負(fù)載的發(fā)熱量。本設(shè)計(jì)采用假負(fù)載切除方式，當(dāng)電源處于正常負(fù)載時(shí)，假負(fù)載退出消耗電流狀態(tài)；空載時(shí)，假負(fù)載消耗電流最大。這樣既不會(huì)影響電源空載時(shí)穩(wěn)定性，也不會(huì)降低電源的效率和產(chǎn)生大量不必要的熱量。

6 試驗(yàn)波形
如圖6所示，是一臺(tái)模塊在輸出電壓258V，輸出電流40A情況下所監(jiān)測(cè)到的幾處波形。圖6(a)是MOS管柵極和源極間的驅(qū)動(dòng)波形圖；圖6(b)為滯后橋臂MOS管漏極和源極之間的波形圖，從圖中可以滯后管已實(shí)現(xiàn)ZVS；圖6(c)是輸出整流后未經(jīng)濾波電感之前的波形；圖6(d)是其中一個(gè)輸出整流二極管陰極和陽極之間的波形，從波形圖可以看出，包括尖峰在內(nèi)，最大電壓不超過700V，因此選用耐壓1200V的整流二極管模塊就足可以滿足要求了。

7 技術(shù)參數(shù)

8 結(jié)語
本文介紹的利用全橋移相技術(shù)(FB-ZVSPWM)來實(shí)現(xiàn)的整流模塊，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證模塊滿載效率達(dá)到90％以上，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，耐沖擊能力強(qiáng)，而且由于采用了假負(fù)載自動(dòng)切除技術(shù)，使得帶載損耗大為降低，具有廣泛的應(yīng)用前景。