一種600 V大功率開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

，

（大連海事大學(xué) 輪機(jī)工程學(xué)院，遼寧 大連 116026）

1 引言

直流電源的發(fā)展過(guò)程是由線性電源向開(kāi)關(guān)電源發(fā)展的，在開(kāi)關(guān)電源出現(xiàn)以前，線性電源已經(jīng)應(yīng)用了很長(zhǎng)一段時(shí)間，而后，開(kāi)關(guān)電源因其體積小、重量輕、效率高等優(yōu)點(diǎn)作為線性電源的一種替代物出現(xiàn)，并廣泛應(yīng)用于家電、計(jì)算機(jī)、通信等設(shè)備中。而隨著電力推進(jìn)船舶、軍用船舶、風(fēng)力發(fā)電、太陽(yáng)能發(fā)電等的發(fā)展，使得開(kāi)關(guān)電源必須向大功率、高頻化方向發(fā)展，而且成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。

快速I(mǎi)GBT、快速恢復(fù)二極管、軟開(kāi)關(guān)技術(shù)、高頻變壓器等技術(shù)的發(fā)展使得大功率開(kāi)關(guān)電源得以實(shí)現(xiàn)。但是目前大功率開(kāi)關(guān)電源，尤其是大功率升壓開(kāi)關(guān)電源的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用還比較少。本文針對(duì)這一現(xiàn)狀，自行設(shè)計(jì)出一套基于全橋變換器拓?fù)涞拇蠊β矢哳l升壓開(kāi)關(guān)電源，并引用均流技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電源模塊的并聯(lián)，提高了負(fù)載能力和系統(tǒng)可靠性。

2 全橋DC-DC變換器的工作原理與控制方式

2.1 全橋變換器的工作原理

全橋變換器由輸入濾波電路、全橋逆變器、高頻變壓器、輸出整流濾波電路組成。圖1所示為實(shí)際設(shè)計(jì)的全橋直流變換器的原理圖。

圖1 全橋變換器原理圖Fig.1 Full-bridge converter circuit diagram

圖1中，直流電壓UIN經(jīng)過(guò)Q1～Q44個(gè)IGBT開(kāi)關(guān)管組成的全橋開(kāi)關(guān)變換器，在高頻變壓器初級(jí)得到交流電壓，經(jīng)過(guò)變壓器變壓，再經(jīng)過(guò)全橋整流變換成直流電壓，最后通過(guò)電感L、電容C組成的LC濾波電路，得到平直的直流電壓。

輸入、輸出都采用電解電容和無(wú)極性電容共同濾波的方式，輸出還設(shè)計(jì)了電感濾波，而輸入是由蓄電池提供的直流電，所以不用設(shè)計(jì)輸入電感濾波。全橋逆變部分采用高速I(mǎi)GBT及RC緩沖電路，既提高了開(kāi)關(guān)頻率又降低了噪聲和開(kāi)關(guān)損耗，達(dá)到較好的動(dòng)態(tài)性能。高頻變壓器和高頻濾波電感體積很小，減小了整機(jī)的體積。隔直電容C3有效解決了全橋變換器直通和偏磁問(wèn)題，使全橋變換器真正地成為大功率DC-DC變換器的理想電路。輸出整流電路采用快速恢復(fù)二極管及橋式整流電路，不僅簡(jiǎn)化高頻變壓器副邊結(jié)構(gòu)，而且整個(gè)電路的對(duì)稱(chēng)性好。

2.2 電源控制方式

電源控制電路是通過(guò)處理反饋的電信號(hào)，產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)，并通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路控制IGBT的工作?？刂葡到y(tǒng)原理圖如圖2所示。

圖2 電源控制原理圖Fig.2 Control schematic diagram of the power supply

圖2中，調(diào)節(jié)器采用UC3907負(fù)載均流穩(wěn)壓器，可實(shí)現(xiàn)精確的輸出電壓控制和負(fù)載均流。輸出電壓U是由UC3907內(nèi)部的高阻抗電壓放大器檢測(cè)的，從而實(shí)現(xiàn)輸出電壓穩(wěn)定，每個(gè)電源的電流則由另一個(gè)差分電流放大器檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)負(fù)載均流?？刂破鞑捎秒妷盒兔}寬調(diào)制器SG3525，電壓型脈寬調(diào)制器是一個(gè)電壓-脈沖變換裝置，用鋸齒波作調(diào)制信號(hào)的脈寬調(diào)制原理如圖3所示。

圖3 SG3525脈寬調(diào)制原理圖Fig.3 Pulse-width modulation schematic diagram in the SG3525

輸出電壓反饋信號(hào)與給定電壓信號(hào)比較得到控制電壓Uctrl，控制電壓與鋸齒波調(diào)制信號(hào)比較，輸出PWM開(kāi)關(guān)信號(hào)。

SG3525內(nèi)部設(shè)有PWM鎖存器，PWM比較器輸出信號(hào)首先送至PWM鎖存器，當(dāng)保護(hù)電路工作時(shí)，即使關(guān)斷信號(hào)立即消失，鎖存器也可以維持一個(gè)周期的關(guān)斷控制，直到下一周期時(shí)鐘信號(hào)使鎖存器復(fù)位為止，所以能對(duì)電源進(jìn)行過(guò)流、過(guò)壓和高溫保護(hù)。

3 主電路的設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)電源是為了潛艇電力推進(jìn)系統(tǒng)的直流變壓、穩(wěn)壓，提供的電源是蓄電池輸出的220 V直流電源，需要轉(zhuǎn)換為600 V的穩(wěn)定電源，供給電力推進(jìn)逆變器。開(kāi)關(guān)頻率設(shè)計(jì)為20 kHz，單個(gè)電源負(fù)載能力為5 kW。

3.1 高頻變壓器的設(shè)計(jì)

使用AP法，即先求出磁芯窗口面積AW與磁芯有效截面積Ae的乘積AP（稱(chēng)磁芯面積乘積）：

式中：PT為變壓器的視在功率；BW為工作磁通密度；K0為窗口使用系數(shù)，一般取典型值0.4；Kf為波形系數(shù)，正弦波為4.44，方波為4；fs為開(kāi)關(guān)工作頻率；Kj為電流密度比例系數(shù)；X為常數(shù)，由所用磁芯確定。

再根據(jù)AP值，查表找出所需磁性材料之編號(hào)。

EE型鐵芯 EE110/56/36的 AP=164.5 cm4＞57.0 cm4，故采用EE110/56/36制作5 kW開(kāi)關(guān)電源的功率容量是足夠大的。EE110/56/36的Ae=12.80 cm2，AW=12.85 cm2。

3.1.1 確定變壓器原邊匝數(shù)

取整為14匝。

3.1.2 確定變壓器副邊匝數(shù)

IGBT（SKM100GB12V）開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通壓降為1.75 V，輸出整流二極管的壓降為1.5 V。在IGBT逆變過(guò)程中，若垂直橋臂上下管同時(shí)導(dǎo)通，則會(huì)將電源短路，電流劇增，從而損壞IGBT。為了避免這種情況，應(yīng)該選擇IGBT的最大導(dǎo)通時(shí)間不超過(guò)80%，即，當(dāng)直流輸出電壓Udc最低時(shí)，IGBT的導(dǎo)通時(shí)間不超過(guò)T/2的80%就能保證額定的輸出電壓U0。最小輸入直流電壓由蓄電池輸出電壓決定，Udc(min)=210 V。即

其中

所以副邊匝數(shù)為

取整得51匝。

3.2 隔直電容設(shè)計(jì)

對(duì)于全橋變換器，兩個(gè)橋臂的導(dǎo)通時(shí)間不相同、開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通壓降存在略微的差異、每個(gè)導(dǎo)通管的儲(chǔ)存時(shí)間不同等都會(huì)造成初級(jí)置位伏秒數(shù)與復(fù)位伏秒數(shù)不相等。只要伏秒數(shù)稍有不等，磁芯就不能回到起點(diǎn)，并且若干周期后，磁芯將偏離磁滯回線進(jìn)入飽和區(qū)。磁芯飽和時(shí)，變壓器不能承受電壓，當(dāng)下一周期開(kāi)關(guān)管再次導(dǎo)通時(shí)，開(kāi)關(guān)管將承受很大的電壓和電流，導(dǎo)致開(kāi)關(guān)管損壞。隔直電容C3能有效解決全橋變換器直通和偏磁問(wèn)題。

隔直電容工作在20 kHz的交流電路中，充電電壓使高頻變壓器的初級(jí)平頂脈沖電壓有所下降。變壓器初級(jí)脈沖電壓如圖4所示。

圖4 變壓器初級(jí)脈沖電壓Fig.4 Waveform for the primary voltage of the transformer

該直流偏移電壓占用一部分電壓，使變壓器次級(jí)電壓降低，則獲得同樣輸出電壓所需的導(dǎo)通時(shí)間延長(zhǎng)，一般希望初級(jí)脈沖電壓盡可能保持平波［2］。設(shè)計(jì)平頂脈沖電壓允許的下降量為10%。

3.3 軟開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)

對(duì)于功率變壓器與功率開(kāi)關(guān)管串聯(lián)的拓?fù)?，功率開(kāi)關(guān)管開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)電壓和電流會(huì)重疊而引起開(kāi)關(guān)損耗。因?yàn)樽儔浩髀└锌梢种崎_(kāi)通時(shí)的電流上升，所以開(kāi)通損耗比較小，而關(guān)斷有很大的損耗尖峰，因此主要考慮關(guān)斷損耗。

如圖5所示為開(kāi)關(guān)管緩沖電路，其基本思路在于處理吸收儲(chǔ)能元件中的能量，將其回饋到電源，從而消弱開(kāi)關(guān)損耗，達(dá)到軟化開(kāi)關(guān)的目的。

圖5 開(kāi)關(guān)管緩沖電路Fig.5 Snubber circuit of the switch device

當(dāng)Q1關(guān)斷時(shí)，一部分峰值電流流過(guò)C1，C1開(kāi)始充電。假設(shè)最初的峰值電流Iin(max)一半流過(guò)C1，一半流過(guò)逐漸關(guān)斷的Q1。選擇合適的電容C1，使得兩端的電壓在Q1的關(guān)斷時(shí)間td(f)內(nèi)上升到2Udc。IGBT（SKM100GB12V）的關(guān)斷時(shí)間 td(f)=62 ns，則：

選擇了一個(gè)C1后，R1應(yīng)使C1在最小導(dǎo)通時(shí)間 ton(min)內(nèi)放電至所充電荷的 5%以下，則：（3～5）×R1C1=ton(min)。

當(dāng)輸入直流電壓最大（Udc(max)=230 V）時(shí)，開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間最短，則：

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

設(shè)計(jì)輸入電容 C1為 1 000 μF，C2為 0.22 μF，IGBT選用SKM100GB12V，整流二極管選用快速恢復(fù)二極管DSEI 2X101，輸出濾波電感L為1.8 mH，輸出濾波電容 C4為 500 μF，C5為 0.3 μF。 試驗(yàn)條件有2 kW，5 kW和10 kW的負(fù)載（電阻），在此基礎(chǔ)上對(duì)5 kW的獨(dú)立電源模塊做2 kW和5 kW負(fù)載功率傳輸試驗(yàn)，圖6為控制芯片SG3525產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)控制脈沖波。具體數(shù)據(jù)如表1所示。

圖6 控制脈沖波Fig.6 The pulse waveform of control

表1 功率傳輸試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.1 Data of power transmission in test

由表1可知，獨(dú)立的電源模塊的變換效率在90%以上，電壓控制精度達(dá)到0.22%。

3臺(tái)電源模塊在5 kW和10 kW負(fù)載時(shí)的并聯(lián)均流試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。由表2可知，電源模塊的均流精度可控制在5.5%左右，當(dāng)負(fù)載增加到半載以上時(shí)，均流效果更佳。

表2 電源模塊均流試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.2 Current-share data of power supply module in test

5 結(jié)論

實(shí)際應(yīng)用時(shí)是3臺(tái)5 kW的電源并聯(lián)，其中一臺(tái)做為備用，配合專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的逆變器，在潛艇上組成控制同步電機(jī)的電力推進(jìn)系統(tǒng)，這樣可以提高電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性，方便實(shí)現(xiàn)冗余。在試驗(yàn)條件下做功率傳輸試驗(yàn)和并聯(lián)運(yùn)行試驗(yàn)，數(shù)據(jù)顯示電源模塊的變換效率高，電源系統(tǒng)的均流效果好。隨著電力推進(jìn)船舶、太陽(yáng)能發(fā)電、風(fēng)能發(fā)電等的發(fā)展，這種大功率開(kāi)關(guān)電源將有更廣闊的應(yīng)用前景。

［1］劉海峰，劉百芬，胡曉燕.一種應(yīng)用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的大功率開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)［J］.電氣應(yīng)用，2005，24（5）：38－41.

［2］王志強(qiáng)，肖文勛，虞龍，等.開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)［M］.第3版.北京：電子工業(yè)出版社，2010.

［3］林渭勛.現(xiàn)代電力電子技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.