一種小體積、高可靠性的開關(guān)電源設(shè)計

一工程試驗其點火裝置，為了滿足狹小空間下，不同阻值爆炸橋絲的引燃工作，要求紋波小、輸出可調(diào)，體積小和高可靠的開關(guān)穩(wěn)壓電源?；疽笫禽斎階C220V，輸出DC0～100V連續(xù)可調(diào)，最大輸出電流100A，低頻紋波Vrms≤O．1％，電壓調(diào)整率≤0．5％，穩(wěn)定度≤0．1％的開關(guān)電源。設(shè)計思想主要服從可靠、體積兩方面要求。在綜合分析了現(xiàn)有的軟硬開關(guān)變換器電源技術(shù)后，采用了脈寬調(diào)制變換器的形式設(shè)計，好處是簡單可靠。通過對電源的供電環(huán)節(jié)、反饋控制、吸收電路、元器件選取與制作以及工藝結(jié)構(gòu)等方面優(yōu)化設(shè)計，解決了大電流下的輸出紋波大、輸出大范圍調(diào)節(jié)下電源穩(wěn)定性差、炸管和振蕩等問題，研制出了合格的電源?！　?/P>

1.電源主電路

電源主電路如圖1所示。電源由輸入電路、變換器、直流輸出和控制驅(qū)動組成。輸入電路包含抑制合閘浪涌的延時電路、EMI過濾器、單相整流器和濾波電容器組。變換器采用脈沖寬度調(diào)制“H”橋拓撲。高頻變壓器、橋式整流器、電感器和電容器組構(gòu)成直流電壓輸出電路。控制電路利用PWM調(diào)節(jié)輸出電壓電流方案。

1)輸入電路　　

輸入電路由輸入延時啟動、EMI濾波器、橋式整流電路B1和濾波電容器組C1構(gòu)成。延時啟動使用繼電器方式，以減小電源合閘瞬間對濾波電容器組C1的電流沖擊。電容器選用CDE公司的DCMCE型逆變器專用輸入濾波電容器。整流橋選擇TECHSEM公司的MDQ75單相整流橋模塊。由于電源每次工作時間很短暫及體積的限制，輸入電路中沒有加入功率因數(shù)校正電路?！　?/P>

2)變換器和驅(qū)動電路　　

變換器采用脈寬調(diào)制的“H”橋拓撲，它由四只IGBT(VT1一VT4)組成。工作時，其輸出在1～60μs變化脈沖寬度。IGBT選用三菱公司的CM75BU一12H單相全橋模塊，好處是每只IGBT開關(guān)特性的一致性好，無須考慮電路的平衡問題。對于驅(qū)動電路，目前集成驅(qū)動電路很多，由于它直接影響到IGBT可靠工作及可靠保護，經(jīng)比較選用了POWERXE公司基于VLA502一02的兩通道IGBT驅(qū)動模塊BG2A。圖2是VLA502—02的原理圖，與常用混合驅(qū)動模塊另一個同之處是它集成了DC／DC電源，無須再對每個驅(qū)動電路單獨供電。實際使用表明，BG2A可靠性大大高于EX840等驅(qū)動電路，從未遇到過損壞。

3)變壓器和輸出整流濾波電路　　

變壓器功率較大，鐵氧體磁芯難以做到，采用了鐵基納米晶帶材。與鐵氧體材料相比，鐵基納米晶帶材具有高飽和磁感應強度、高導磁率和低矯頑力，使變壓器體積減小、頻響更高、效率提高。同時，加工、安裝方便、參數(shù)調(diào)整容易。由于IGBT作硬開關(guān)，工作頻率高于1 5kHz時，開關(guān)損耗成為電源主要損耗，因此，變壓器及變換器工作的頻率設(shè)計為15kHz。輸出整流二極管選用摩托羅拉MUR20020快恢復二極管。

輸出濾波電路采用LC濾波器，由于電感器的電感量和功率較大，鐵粉芯和鐵硅鋁的磁芯沒有相適應的產(chǎn)品規(guī)格，電感磁芯采用了鐵基非晶材料。為了降低輸出紋波，電容器采用美國CED公司101型電解電容器，它的ESR(等效串聯(lián)電阻)、ESL(等效串聯(lián)電感)為目前所有品牌電解電容器中最低，且溫度范圍很寬。　　

4)控制與安全保護　　

電源是輸出電壓在0～100V間不分檔、可連續(xù)調(diào)節(jié)的直流穩(wěn)壓電源，過載保護被設(shè)計成高精度的限流保護形式，其限流值在0～100A間可連續(xù)調(diào)節(jié)。為了可靠起見，反饋控制采用了傳統(tǒng)的模擬控制，即用誤差放大器來減小輸出電壓與參考電壓的誤差?？刂菩酒捎肨L494，設(shè)計為恒壓恒流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，兩個閉環(huán)共用一個脈寬調(diào)制實時處理，實現(xiàn)恒壓調(diào)節(jié)和恒流調(diào)節(jié)功能。TL494的兩個誤差放大器，一個用于電壓穩(wěn)定控制，一個用于電流限制。電流采樣電阻采用1 00A／75mV標準分流器。TL494用作電壓反饋和電流反饋的放大器被設(shè)計成“或”的關(guān)系。輸出電壓大小的調(diào)節(jié)，用改變電壓反饋取樣電阻的分壓比實現(xiàn)，電流限制調(diào)節(jié)的方法同樣?！　?/P>

2.輸出電壓紋波　　

抑制電源輸出電壓中的低頻交流紋波和開關(guān)噪聲紋波的關(guān)鍵是找到成因，再確定處理方案。通常是從器件和電路兩方面解決?！　?/P>

1)尖峰噪聲的抑制　　

尖峰噪聲產(chǎn)生于晶體管ON／OFF的瞬間。為抑制尖峰噪聲，選取ESR、ESL低的電容器和具有軟恢復特性的二極管，通過C4～C7和R4～R7對二極管開關(guān)時的尖峰進行抑制。另外，在二極管套入非晶磁珠，對尖峰抑制效果大大好于RC電路，但發(fā)熱太大，未被采用。對于IGBT母線電感引起的尖峰，通常的LCR吸收電路比較復雜，參數(shù)不易協(xié)調(diào)。由于變換器是采用H橋模塊，母線很短，所以只用C2完成尖峰吸收。R2和R3吸收變壓器漏感引起的尖峰。使開關(guān)波形瞬間產(chǎn)生的尖峰電平只比直流電平稍高一些，大大減輕了IGBT上的尖峰噪聲。C2，C3選用CDE公司的930型聚丙烯薄膜無感電容器?！　?/P>

2)輸出紋波的抑制　　

開關(guān)電源中低頻交流紋波一般的說法是從交流電網(wǎng)引入的，輸出濾波器無法濾除，主要靠系統(tǒng)閉環(huán)負反饋來抑制，但這極易引起電路振蕩，損壞IGBT。事實上在供電容量足夠，輸入濾波合適的情況下，測不出交流輸入帶給直流輸出的紋波。由于開關(guān)電源電路中諧波豐富，以致引起低頻紋波的原因很多：工藝結(jié)構(gòu)方面，如布線不當；器件的原因，如電容的ESR、電感參數(shù)(取直，氣隙，磁芯的選擇)；元件間的配合，如L與C的乘積值等。尤其電感器對電源的穩(wěn)定性和輸出紋波影響。其中防飽和氣隙是電感器在輸出引起低頻紋波重要原因，常常不易判斷，這個紋波的頻率隨氣隙的大小而變，范圍在幾百赫茲內(nèi)。幅度大小與輸出電壓的值有一定關(guān)系，且不成比例，如圖3所示。但電感磁芯沒有氣隙，又易飽和。非閉合磁芯，又使體積變很大，相對而言，設(shè)計了功率容量放大，不開氣隙的磁芯，使問題解決。　　

3.結(jié)束語　　

經(jīng)測試，無論是空載還是負載，輸出電壓在1～100V變化時，相應紋波在0.6～50mV之間，電源的其它工作和指標也都達到要求。電源在工程現(xiàn)場順利地通過了工程控制系統(tǒng)自運行、發(fā)火引爆試驗、測控系統(tǒng)聯(lián)試、發(fā)動機點火熱試車等工作的考核驗證，已正式投入使用。這表明高功率調(diào)寬變換器型穩(wěn)壓電源可以很好的做到寬范圍的連續(xù)可調(diào)和超低紋波要求，拓寬了高功率普通硬開關(guān)電源的用途。