某型大功率電源組件設(shè)計(jì)

宋曉娜，謝麗賀

（1.河南科技大學(xué)，河南 洛陽 471023；2.中國空空導(dǎo)彈研究院，河南 洛陽 471009）

0 引言

電源組件安裝在導(dǎo)彈內(nèi)，為導(dǎo)彈工作提供能源，并將來自載機(jī)的三相交流115V／400Hz電源經(jīng)過轉(zhuǎn)換處理后輸出直流電源+57V／27A，提供給導(dǎo)彈。該電源組件用于系統(tǒng)試驗(yàn)及地面繞飛試驗(yàn)，以評估某型導(dǎo)彈在空中掛機(jī)飛行情況下對目標(biāo)的截獲和跟蹤能力。它的性能和可靠性直接影響著全彈的性能和戰(zhàn)斗任務(wù)的完成。該電源組件的最大特點(diǎn)是要在小體積情況下實(shí)現(xiàn)1500W的大功率。

1 導(dǎo)彈對電源組件的技術(shù)要求

導(dǎo)彈對電源組件的技術(shù)要求如下。

三相交流電源（載機(jī)A、B、C、中線）輸入為115 V，400±20Hz，相電流約為6.5A，總功率約為1500W；電源啟動／關(guān)閉信號（+5V），匹配隔離處理線路；電源輸出為+57±3V／27A（直接4線束帶插頭輸出連接）；輸出峰值電流為32A／30ms；工作頻率（變頻）為200～600kHz；紋波電壓（峰峰值）小于600mV；轉(zhuǎn)換效率大于80%；具有輸出過流保護(hù)功能：當(dāng)輸出電流（約）大于34A／1ms時(shí)，保護(hù)電路工作（此時(shí)輸出電壓降低）；具有供電欠壓保護(hù)功能，當(dāng)供電電壓小于80V和大于150V時(shí)保護(hù)電路工作（此時(shí)輸出電壓關(guān)閉），但當(dāng)供電電壓大于180 V時(shí)可能失效（此時(shí)故障，輸出電壓關(guān)閉）；工作環(huán)境溫度為-45～+65℃；供電特性符合為GJB181-86（浪涌電壓試驗(yàn)除外）；每次連續(xù)（滿載）工作時(shí)間不大于60s，間隔時(shí)間不大于8min；結(jié)構(gòu)尺寸為L=160mm，D=180mm。

2 設(shè)計(jì)思路

直流電源可以分為兩種：高頻開關(guān)電源和線性直流電源［1］。在電源設(shè)計(jì)時(shí)，首先考慮的是選擇哪一種，而這主要取決于對電源的技術(shù)要求。

2.1 開關(guān)電源

開關(guān)電源就是通過電路控制開關(guān)管的導(dǎo)通與截止，將交流電轉(zhuǎn)化為高頻率的直流電提供給變壓器進(jìn)行變壓，從而產(chǎn)生所需要的一組或多組電壓。開關(guān)電源大體可以分為隔離和非隔離兩種，隔離型的必定有開關(guān)變壓器，而非隔離的未必一定有［2］。

2.2 線性電源

線性電源是先將交流電經(jīng)過變壓器降低電壓幅值，再經(jīng)過整流電路后，得到脈沖直流電，后經(jīng)濾波得到帶有微小紋波電壓的直流電壓［3］。再經(jīng)過控制電路和單片微處理控制器的控制下對線性調(diào)整元件進(jìn)行精細(xì)調(diào)節(jié)，使之輸出高精度的直流電壓源［4］。

2.3 開關(guān)電源和線性電源的區(qū)別

開關(guān)電源的結(jié)構(gòu)中沒有變壓器和散熱片，因而體積小、效率高和發(fā)熱小，但是具有電磁干擾等缺點(diǎn)。而線性電源功率器件工作在線性狀態(tài)，即其功率器件一直在工作，所以效率低。其工作方式，使它從高壓變壓，必須有變壓器降壓裝置，它的體積大、笨重、效率低和發(fā)熱量也大［5］。

鑒于以上開關(guān)電源和線性電源的區(qū)別，以及對該彈上電源1500W的大功率要求和體積的限制，可以看出，開關(guān)電源是設(shè)計(jì)的最佳選擇。

3 系統(tǒng)組成與工作原理

3.1 電源組件組成

電源組件主要由輸入濾波、緩啟動、功率變換、輸出濾波和外部控制信號處理等幾部分組成。電源組成如圖1所示。

圖1 電源組成

3.2 基本工作原理

由載機(jī)提供的三相115V／400Hz電源輸入。經(jīng)過全橋整流和濾波變換后形成+280V直流電壓，為了降低在峰值切入時(shí)對載機(jī)供電電源的沖擊，即減小上電沖擊電流峰值，設(shè)計(jì)了一個(gè)慢啟動線路。標(biāo)準(zhǔn)的電源模塊DC／DC變換器將+280V電壓變換成穩(wěn)定的+57V的直流電壓，輸出濾波電路對噪聲電壓進(jìn)行抑制處理，以滿足電壓品質(zhì)的要求。

DC／DC變換器的工作輸出電壓和關(guān)閉是受外部控制信號控制的，當(dāng)控制信號輸入+5V的壓差信號時(shí)，DC／DC變換器正常工作，啟動輸出+57V電壓。當(dāng)控制信號關(guān)閉5V壓差時(shí)，DC／DC變換器停止工作，輸出電壓為0V。

4 電路設(shè)計(jì)

電源電路原理圖共由7個(gè)部分組成，分別包括：輸入濾波電路、三相整流電路、慢啟動線路、隔離型DC／DC變換器、輸出濾波電路、控制信號處理電路和結(jié)構(gòu)件。

4.1 輸入濾波電路

輸入濾波電路由一個(gè)三相EMI濾波器構(gòu)成，內(nèi)部2級共模濾波，在200kHz～1MHz能產(chǎn)生40～50db的衰減。其不僅可以對外部干擾信號進(jìn)行抑制，減少對本電源工作時(shí)的輸出噪聲，也可以抑制本電源工作時(shí)產(chǎn)生的諧波噪聲，減少對供電電源的影響，以滿足電磁兼容性的要求。

4.2 三相整流電路

三相整流電路由6只RURP3060超快恢復(fù)二極管構(gòu)成全橋整流電路，將三相交流電壓變換成直流電壓。選用30A／600V的超快恢復(fù)二極管，功率因數(shù)按0.85計(jì)算，輸入將達(dá)2200VA，對應(yīng)供電電源中每相的電流有效值約6.8A，峰值電流約9.6 A，而二極管承受的耐壓是線電壓峰值為：

當(dāng)U2電壓最高點(diǎn)為118V時(shí)，URM約為290 V，取600V／30A的超快恢復(fù)二極管可滿足要求。

4.3 慢啟動線路

慢啟動線路的目的是為了降低供電電源的沖擊電流，提高系統(tǒng)的可靠性，同時(shí)降低設(shè)備對電網(wǎng)的沖擊。啟動電流抑制為滿載電流的1.4倍，控制在約10A，啟動抑制電阻R=25Ω，啟動完成后用2只MOS管并聯(lián)替代電阻進(jìn)行導(dǎo)通，MOS管型號FQB9N50，Vds=500V，Id=9A。初始充電時(shí)由電阻進(jìn)行限流，當(dāng)電容的電壓上升到170V以上時(shí)，再導(dǎo)通并聯(lián)在電阻上的MOSFET，從而降低系統(tǒng)的功耗。當(dāng)輸入開關(guān)將系統(tǒng)切入的時(shí)候，電容C03上的初始電壓為零，相當(dāng)于短路，全部的電壓降到了電阻R3A上，系統(tǒng)的充電起始峰值電流將被限制到290 V／R3A=290V／23.5Ω=12.3A峰值之內(nèi)，相當(dāng)于1.28倍的正常工作電流峰值。慢啟動線路的電路如圖2所示。

圖2 緩充電電路

4.4 濾波電容

濾波電容的目的是將整流之后的電壓波形進(jìn)行平波緩動處理，使直流母線的電壓脈動降低，以利于DC／DC變換器的可靠準(zhǔn)確工作并降低輸出噪聲。濾波電容值容量越大，母線電壓將越平坦。將1500 W負(fù)載等效成一個(gè)負(fù)載電阻并聯(lián)在濾波電容上，則等效負(fù)載為：

UPN=，P為功率，可以按照模塊效率推測母線側(cè)的功率為1500W／0.85=1760W。設(shè)母線的波動幅度為a%，如圖3所示，在圖3中，不加濾波電容時(shí)，整流母線的波形為UD，當(dāng)加入濾波電容后，母線電壓為UCAP，該濾波電容在0～t1的時(shí)間內(nèi)被線電壓充電，負(fù)載也從輸入得到功率，達(dá)到線電壓峰值以后，輸入電壓下降，而濾波電容的電壓高于線電壓所以整流二極管不導(dǎo)通，此時(shí)濾波電容對負(fù)載放電。電容充電后放電時(shí)間為tf，參見圖3中，濾波電容的放電時(shí)間為tf=t4-t2=t4-t3+t3-t2，t3-t2=T／12，T為正弦波周期，而依據(jù)周期性，t4-t3=t1，從而得到放電時(shí)間tf=+t1，在t1時(shí)，輸入電壓正好等于谷值UPN×（1-a%），對于400Hz系統(tǒng)，T=1／400=0.0025s，依據(jù)正弦波公式UPN（1+a%）=Ucos（ωt-30°），ωt∈ （0，），在取了a%后，可以求出t1，根據(jù)電容充放電關(guān)系，濾波電容應(yīng)為：

圖3 三相輸入及母線電壓波形

由于現(xiàn)在使用的DC／DC電源模塊，其輸入電壓范圍為180～375V，考慮對應(yīng)在80V欠壓保護(hù)的時(shí)候，母線電壓峰值為195V，DC／DC電源模塊的欠壓工作點(diǎn)設(shè)在152V，對應(yīng)a%=（195-152）／195×100%=22%，取a%=20%，按照供電輸入下限電壓U=108V計(jì)算，則，t1=0.00046s，對應(yīng)tf=0.00067s，對應(yīng)C=76μF，故采用了CBB電容，選6.8μF電容12個(gè)并聯(lián)，總?cè)萘?1μF。

4.5 隔離DC／DC變換器

隔離變換采用了以模塊為主體的設(shè)計(jì)，而整個(gè)組件的核心是大功率的DC／DC變換器模塊，采用成熟的VICOR公司的開關(guān)諧振電源模塊設(shè)計(jì)完成隔離的DC-DC變換。DC／DC變換器模塊效率高，但是噪聲大，它的傳導(dǎo)干擾和輻射干擾會對用電部件和周圍的電子部件產(chǎn)生干擾。

由于輸出的功率需要達(dá)到57V／27A，瞬態(tài)電流32A，總功率1800W，而VICOR公司MAXI系列模塊最大功率為500W，故采用4支，而57V的電壓為非標(biāo)準(zhǔn)電壓，如果使用二極管隔離并聯(lián)方式，需要用48V輸出的模塊將輸出電壓上調(diào)到57.7 V，這樣模塊的輸出電壓將超過+20%的上調(diào)極限，使用很勉強(qiáng)，而且3塊以上的模塊輸出并聯(lián)時(shí)，輸入側(cè)的均流端不能直接相連，需要脈沖變壓器隔離連接，電路比較煩瑣，易受干擾。故選用了模塊輸出串聯(lián)的工作方式，輸出電流相同。

隔離DC／DC變換器中一路的電路原理圖如圖4所示。其中Ri為下調(diào)電阻，RL為負(fù)載電阻。由于各模塊的輸出電壓相對穩(wěn)定，其輸出功率比較均衡，輸入的均流端無需特別電路。對應(yīng)57V／4=14.25V，只要把15V的模塊下調(diào)5%即可。故選用輸 出 為15V／500W 的 VICOR 公 司 的V300A15M500BL2電源模塊4塊，采用輸入并聯(lián)、輸出串聯(lián)來實(shí)現(xiàn)需要的功能。

圖4 DC／DC變換器連接

輸入并聯(lián)時(shí)，為了防止干擾信號（噪聲）加到母線上，因?yàn)樵撔盘栍绊懩K之間的負(fù)載均流，增加不穩(wěn)定性或?qū)е履K故障。一種可能的干擾源是通過正（+）和負(fù)（-）電源引腳傳入的輸入紋波電流。應(yīng)該采取措施將并聯(lián)母線輸入電流的交流分量去藕。所以每只模塊的輸入都用0.2μF的陶瓷或薄膜電容本地旁路。這樣就可以分流高頻的輸入紋波電流。每只模塊的基板和負(fù)（-）輸入引腳之間接入一個(gè)4700pF的Y-電容，分流共模電流分量。

4.6 輸出濾波電路

輸出濾波按照一級共模線路、一級差模線路的方式設(shè)計(jì)。共模電路設(shè)計(jì)到了每一路，而差模電路只在串連后的輸出中設(shè)計(jì)到。其中，共模設(shè)計(jì)一方面降低共模的尖峰，另一方面防止模塊之間輸出相互干擾。差模濾波設(shè)計(jì)以抑制諧波，降低輸出紋波。其電路如圖5所示。

圖5 輸出濾波電路

4.7 控制信號電路

由于電源模塊的控制參考地是模塊的輸入地，而控制信號地與電源模塊的控制參考地不一定共地，所以設(shè)計(jì)光耦進(jìn)行了隔離。

三極管進(jìn)行了反相，這樣當(dāng)沒有控制信號時(shí)，三極管VT1導(dǎo)通，將電源模塊的PC端經(jīng)過二極管拉到低電位，使模塊輸出關(guān)斷。當(dāng)5V的控制信號輸入時(shí)，光耦閉合，將三極管VT1的基極拉低，使PC端上升到高電平，使電源模塊開始工作輸出電壓?？刂菩盘栯娐啡鐖D6所示。

圖6 控制信號隔離轉(zhuǎn)換

5 熱設(shè)計(jì)

電源組件的工作模式是間歇工作方式，連續(xù)工作90s，間隔8min。而在90s時(shí)間，按照熱量不跟外界進(jìn)行熱交換的條件來進(jìn)行計(jì)算的（實(shí)際熱交換是一直存在的，能有效地降低外殼的溫度。），電源模塊所產(chǎn)生的熱量僅通過模塊底部傳導(dǎo)到與之緊密螺裝的鋁板及殼壁上，以下只是依靠熱容來進(jìn)行熱設(shè)計(jì)。

每個(gè)電源模塊的效率為86%，按實(shí)際輸出功率1600W計(jì)算，所以功耗為：

對應(yīng)工作一次工作時(shí)產(chǎn)生的熱量為：

鋁的密度ρ=2.7g／（cm）3，鋁的摩爾熱容c=24.2J／mol·k，鋁的摩爾質(zhì)量M=27g／mol。

整體鋁殼加上中間鋁板的鋁制框架體積為：

對應(yīng)鋁的質(zhì)量為：

依據(jù)Q=cmΔt，計(jì)算出：

依據(jù)高溫環(huán)境溫度65℃，在工作90s內(nèi)結(jié)構(gòu)殼體的單次工作溫度將達(dá)91.6℃，而模塊的最高工作溫度是100℃，所以不會發(fā)生過熱保護(hù)，本電源可在高溫環(huán)境下正常工作。

6 試驗(yàn)結(jié)果

6.1 電源拉偏

AC／DC發(fā)射電源帶載工作，輸出電壓／電流為55.1V／27A。調(diào)整電源測試系統(tǒng)的輸出分別為AC118V／400Hz，AC115V／400Hz，AC115V／380 Hz，AC118V／420Hz，對產(chǎn)品進(jìn)行拉偏試驗(yàn)，輸出電壓應(yīng)在DC57±3V之間。經(jīng)檢測，產(chǎn)品均符合要求。檢測結(jié)果如表1所示。

表1 電源拉偏測試樣品檢測結(jié)果

6.2 過流保護(hù)

AC／DC發(fā)射電源帶載工作，電源輸入為AC115V／400Hz。調(diào)整電子負(fù)載的大小，至產(chǎn)品輸出保護(hù)時(shí)停止調(diào)整，記錄此時(shí)的輸出電流大小。經(jīng)檢測，產(chǎn)品的過流點(diǎn)Iq=35A。

6.3 瞬變電壓

對產(chǎn)品的AC115V電源線施加AC150V／100 ms的瞬變電壓，進(jìn)行5次，每次間隔1min。經(jīng)檢測，在施加瞬變電壓瞬間，樣品的輸出關(guān)閉，4～5s后輸出電壓恢復(fù)正常（Vo=55.1V、Io=27A）；瞬變電壓過后，產(chǎn)品輸出正常。

7 結(jié)束語

大功率電源組件已根據(jù)設(shè)計(jì)要求完成研制，其最大特點(diǎn)是在小體積情況下實(shí)現(xiàn)了1500W的大功率。通過試驗(yàn)表明，該彈上電源滿足導(dǎo)彈需要的各項(xiàng)技術(shù)要求，是一種可靠性高、性能穩(wěn)定的電源，其輸出電壓、品質(zhì)和功率等參數(shù)滿足要求，為導(dǎo)彈安全可靠的工作提供有效地保障，且電源組件已交付導(dǎo)彈使用，并滿足全彈系統(tǒng)要求。

［1］王順祺.穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1983.

［2］楊 旭，裴云慶，王兆安.開關(guān)電源技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

［3］林傳騮.線性電源的EMC設(shè)計(jì)依據(jù)［J］.國外電子測量技術(shù)，1998，（5）：28-28.

［4］屠 徑，趙玉龍.某型彈載二次電源設(shè)計(jì)［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，（10）：147-149.

［5］熊文靜，鄭耀林，黃傳明.開關(guān)穩(wěn)壓電源的原理及發(fā)展［J］.儀器儀表用戶，2007，（2）：6-7.