遠(yuǎn)程恒流供電系統(tǒng)中I-V節(jié)點(diǎn)電源設(shè)計(jì)

陳 亞，顏川江，祝 新

(1.海軍駐無錫地區(qū)軍事代表室，無錫 214061；2.中國船舶重工集團(tuán)公司第723研究所，揚(yáng)州 225001)

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遠(yuǎn)程恒流供電系統(tǒng)中I-V節(jié)點(diǎn)電源設(shè)計(jì)

陳 亞1，顏川江2，祝 新2

(1.海軍駐無錫地區(qū)軍事代表室，無錫 214061；2.中國船舶重工集團(tuán)公司第723研究所，揚(yáng)州 225001)

針對(duì)海底觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)的特殊應(yīng)用場(chǎng)合，提出了相比恒壓供電更具優(yōu)勢(shì)的遠(yuǎn)程恒流供電系統(tǒng)方案，水下部分的I-V節(jié)點(diǎn)電源是供電系統(tǒng)的重要組成部分。詳細(xì)介紹了I-V節(jié)點(diǎn)電源的設(shè)計(jì)方案，電源的前級(jí)采取開關(guān)管旁路和輸出二極管的設(shè)計(jì)方式來實(shí)現(xiàn)，后級(jí)利用自激推挽式變換器隔離輸出穩(wěn)定電壓。電源電路設(shè)計(jì)簡單、高效，采用最少的元器件設(shè)計(jì)了效率高、工作穩(wěn)定的恒流/恒壓電源模塊。

遠(yuǎn)程供電；恒流/恒壓；自激推挽式變換器

0 引 言

隨著科技的進(jìn)步以及我國對(duì)海洋權(quán)益的日益重視，海底觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)的研究與應(yīng)用勢(shì)在必行。由于該網(wǎng)絡(luò)包含有源設(shè)備眾多，連接關(guān)系復(fù)雜，海底的應(yīng)用環(huán)境特殊，無法進(jìn)行正常的保養(yǎng)及維護(hù)，因此不能像陸上的供電系統(tǒng)對(duì)設(shè)備供電。新型的遠(yuǎn)程供電系統(tǒng)研究和設(shè)計(jì)迫在眉睫，供電系統(tǒng)必須解決遠(yuǎn)程組網(wǎng)、故障應(yīng)對(duì)、高可靠性等技術(shù)難題。為此國內(nèi)外多家研究機(jī)構(gòu)及個(gè)人對(duì)該供電系統(tǒng)提出了設(shè)計(jì)方案，驗(yàn)證了相關(guān)理論，儲(chǔ)備并完善了諸多技術(shù)研究。文獻(xiàn)[1]設(shè)計(jì)了水下恒壓遠(yuǎn)程供電系統(tǒng)，研究了系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)與控制技術(shù)，提高了恒壓系統(tǒng)在水下環(huán)境中應(yīng)對(duì)故障的能力。文獻(xiàn)[2]設(shè)計(jì)了水下恒流遠(yuǎn)程供電系統(tǒng)，研究了恒流的多路分支技術(shù)，保持全網(wǎng)絡(luò)的恒流特性。浙江大學(xué)及同濟(jì)大學(xué)等單位建設(shè)了恒壓單節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)系統(tǒng)，解決了高-中-低壓轉(zhuǎn)換技術(shù)，并已進(jìn)行海試。

縱觀各研究機(jī)構(gòu)的研究思路，遠(yuǎn)程供電系統(tǒng)大體分為恒壓供電模式和恒流供電模式。恒壓的優(yōu)點(diǎn)是在組網(wǎng)中易于電路分支，更容易組成矩形網(wǎng)絡(luò)及樹狀網(wǎng)絡(luò)。缺點(diǎn)就是節(jié)點(diǎn)電源將承受高壓，且須逐級(jí)降壓使用，對(duì)于節(jié)點(diǎn)電源的器件選擇和電路實(shí)現(xiàn)都比較困難；其次恒壓供電系統(tǒng)某個(gè)支路故障，其節(jié)點(diǎn)電壓大幅下降，將會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)工作異常。恒流供電系統(tǒng)中，流過各節(jié)點(diǎn)的電流相等，其抗故障能力更強(qiáng)，故障點(diǎn)定位更容易，但在組網(wǎng)時(shí)實(shí)現(xiàn)電流分支相對(duì)困難，須開發(fā)恒流/恒流I-I分支模塊，通過I-I分支模塊進(jìn)行干路分支。與恒壓供電模式相比，恒流供電模式更有優(yōu)勢(shì)，本文只探討恒流供電系統(tǒng)。

1 遠(yuǎn)程恒流供電系統(tǒng)原理

如圖1所示，恒流供電系統(tǒng)由岸基恒流源、海纜、I-V節(jié)點(diǎn)電源、I-V中繼電源、I-I分支模塊、DC/DC模塊等部分構(gòu)成。其中岸基恒流源提供恒定電流輸出，2臺(tái)岸基恒流源為冗余設(shè)計(jì)，共同提供系統(tǒng)功率；I-V節(jié)點(diǎn)電源為恒流到恒壓的轉(zhuǎn)換電源，主要完成從恒流取電轉(zhuǎn)換成向節(jié)點(diǎn)設(shè)備提供恒壓電能；I-V中繼電源為恒流到恒壓的轉(zhuǎn)換電源，主要完成恒流轉(zhuǎn)換成恒壓,為光中繼提供電能，I-I分支模塊為恒流/恒流變換器，組網(wǎng)中需要進(jìn)行分支布網(wǎng)時(shí)，利用此模塊進(jìn)行電流分支。

恒流供電系統(tǒng)共分A、B、C、D四級(jí)，岸基恒流源為A級(jí)，I-V節(jié)點(diǎn)電源、I-V中繼電源、I-I分支模塊為B級(jí)，DC/DC模塊為C級(jí)，D級(jí)為水下設(shè)備級(jí)。供電系統(tǒng)層次清晰、模塊功能齊全，易于組網(wǎng)。

遠(yuǎn)供系統(tǒng)工作環(huán)境特殊，海纜容易受到錨掛斷裂、接駁盒密閉性失效等情況產(chǎn)生短路，短路處將連接海水，短路位置至2臺(tái)岸基恒流源變?yōu)?個(gè)新的獨(dú)立遠(yuǎn)供系統(tǒng)，2臺(tái)冗余備份的岸基恒流源將分別為2個(gè)獨(dú)立遠(yuǎn)供系統(tǒng)重新提供電能。短路故障的解決方案是該供電系統(tǒng)的最大優(yōu)點(diǎn)之一[3]。由于供電系統(tǒng)的線纜處于海纜之中，在海纜無故障的前提下，出現(xiàn)斷路的幾率非常低，因此不做此故障的討論。

圖1 恒流供電系統(tǒng)原理框圖

2 I-V節(jié)點(diǎn)電源設(shè)計(jì)方案及技術(shù)要求

I-V節(jié)點(diǎn)電源主要實(shí)現(xiàn)從干路上取恒流電，變換成穩(wěn)定恒壓給后級(jí)電源或設(shè)備使用的功能，使用在干路的節(jié)點(diǎn)處，是水下部分?jǐn)?shù)量最多、功能最全的電源，也是最重要的電源。I-V節(jié)點(diǎn)電源的設(shè)計(jì)原則是：簡單實(shí)效，實(shí)現(xiàn)恒流/恒壓的功能，具備在水下長期工作的高可靠性，具有短路的保護(hù)機(jī)制。

I-V節(jié)點(diǎn)電源包含前后兩部分，前部是分由旁路開關(guān)金屬-氧化物半導(dǎo)體(MOS)管及二極管組成的前級(jí)穩(wěn)壓電路，后部分為自激推挽式變換，將輸入輸出進(jìn)行隔離。電源模塊的前級(jí)與外殼的高耐壓隔離采用了疊層的氮化鋁，四層氮化鋁耐壓達(dá)到了40kV。輸入過壓采取可控硅導(dǎo)通方式進(jìn)行保護(hù)，同時(shí)當(dāng)輸出短路時(shí)，前級(jí)輸入電壓會(huì)升高，同樣能通過打通可控硅進(jìn)行保護(hù)。

本模塊技術(shù)要求如下

輸入：恒流1.5A+5%；

輸出電壓：DC150V+1%；

聚光燈追逐的，不過是人們心中的焦慮，以及對(duì)不公的警惕。過去的一周里，一場(chǎng)金融圈的飯局異常扎眼，席間男男女女舉止不雅，甚是辣眼睛。事后相關(guān)人士受到了行業(yè)處罰，可“貴圈”的各種潛規(guī)則傳說也紛至沓來。這些事離普通人很遙遠(yuǎn)，但吃瓜群眾們還是能感受到成噸的傷害。如果游戲規(guī)則是長袖善舞者通吃、心術(shù)可疑者恒贏，踏實(shí)做事的人就很難獲得公平，很難不陷入焦慮。

額定輸出功率：200W；

輸出電壓紋波：≤±2%；

輸入輸出隔離：12kV；

具有輸入短路、輸出短路保護(hù)功能。

3 I-V節(jié)點(diǎn)電源前級(jí)設(shè)計(jì)

圖2所示為I-V節(jié)點(diǎn)電源的前級(jí)原理框圖，圖中包括了輸入端的整流橋、開關(guān)管、輸出二極管、前級(jí)過壓保護(hù)單元及脈寬調(diào)制電路。

圖2 I-V節(jié)點(diǎn)電源的前級(jí)原理框圖

開關(guān)管作為旁路開關(guān)使用，將多余的電能通過脈寬調(diào)制信號(hào)開啟開關(guān)管旁路至恒流輸出端，脈寬

調(diào)制信號(hào)由輸出電壓分壓得到的反饋電壓調(diào)整輸出的脈寬，達(dá)到控制輸出電壓穩(wěn)定的目的。其自動(dòng)穩(wěn)壓過程可以簡述為：Vout↑→Vf↑→D1↓→D2↑→ton↑→Vout↓。

4 自激推挽式變換器設(shè)計(jì)及主要元器件的選擇

自激推挽式變換器是利用開關(guān)管和變壓器鐵芯的磁通量飽和來進(jìn)行自激振蕩，從而實(shí)現(xiàn)開關(guān)管“開/關(guān)”轉(zhuǎn)換的直流變換器。本電路有著電路精簡、無需輔助電源及脈寬調(diào)制(PWM)控制電路、高效可靠等優(yōu)勢(shì)，非常適合I-V節(jié)點(diǎn)電源。

4.1 自激推挽式變換器的工作原理

自激推挽式變換器的電路原理[4]如圖3所示，當(dāng)電壓Vin加到輸入端時(shí)，通過R1和R2并接到2個(gè)開關(guān)MOS管的柵極，由于電路的不對(duì)稱性，總會(huì)有一個(gè)開關(guān)導(dǎo)通，假如V1導(dǎo)通，WP1磁芯磁化，WB1感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)增大，WB2反向電動(dòng)勢(shì)至V2截止，V1全導(dǎo)通，WP1的磁通隨電流線性增大至飽和，飽和后V1很快截止，V2進(jìn)入導(dǎo)通，V2復(fù)制V1的過程后完成1個(gè)周期。

圖3 自激推挽式變換器的電路原理圖

整個(gè)過程周而復(fù)始，使得V1、V2交替導(dǎo)通,在MOS管的漏極產(chǎn)生方波，完成推挽工作，輸出經(jīng)過濾波后獲得直流電壓。

4.2 MOSFET代替晶體管避免磁通不平衡的影響

磁通不平衡[5]是自激推挽式電路存在的一大缺點(diǎn)，MOS管沒有存儲(chǔ)時(shí)間，在交替的半周期內(nèi)，柵極導(dǎo)通次數(shù)和漏極導(dǎo)通次數(shù)總是相等。在交替的半周期中施加到變壓器上的伏秒數(shù)相等。其次MOS管導(dǎo)通電阻的正溫度系數(shù)形成的負(fù)反饋也會(huì)阻止磁通不平衡問題的產(chǎn)生。

4.3 變壓器的設(shè)計(jì)

變壓器設(shè)計(jì)是開關(guān)電源的重點(diǎn)和難點(diǎn)。為了滿足12kV的隔離電壓，普通的骨架加磁芯方案難以解決爬電問題。本設(shè)計(jì)選擇了鈷基非晶磁環(huán)，通過高耐壓絕緣膠帶纏繞進(jìn)行隔離，經(jīng)測(cè)試達(dá)到了隔離12kV的耐壓，并解決了爬電距離。

4.3.1 變壓器線圈匝數(shù)的計(jì)算

T1初級(jí)繞組的匝數(shù)可以根據(jù)下式計(jì)算：

(1)

式中：Vin為施加在繞組上的電壓,約為165V;NP為繞組匝數(shù)；Ac為磁芯截面積；考慮到磁通飽和因素，工作磁通密度取飽和磁通的0.8倍，即B=0.8×Bm≈2 200Gs；f為工作頻率,設(shè)定為50kHz。

根據(jù)公式(1),可以求出初級(jí)繞組匝數(shù)：

NP1=NP2=30(匝)

T1次級(jí)繞組Ns1、Ns2的計(jì)算,VO=150V，根據(jù)推挽的變壓器公式，次級(jí)繞組匝數(shù)可計(jì)算為：

T1輔助繞組Nb的計(jì)算，因T2變壓器設(shè)計(jì)的變比為1∶1∶1，所以輔助繞組的輸出電壓為MOS管的開關(guān)電壓，設(shè)置為15V比較合適，簡單計(jì)算可得：

Nb=2(匝)

T2采用14×8×7的鐵氧體環(huán)，計(jì)算出輸入輸出匝數(shù)為：

5 I-V節(jié)點(diǎn)電源工作狀態(tài)測(cè)試結(jié)果

對(duì)所設(shè)計(jì)的I-V節(jié)點(diǎn)電源進(jìn)行了測(cè)試，電源串聯(lián)接入恒流輸入源中，得到了穩(wěn)定的150V輸出，電源開啟及帶載正常，并具備輸入過壓、輸出短路保護(hù)功能。正常工作時(shí)兩開關(guān)管G端的波形如圖4所示，輸出電壓紋波如圖5所示。

圖4 開關(guān)管G端波形

圖5 輸出電壓紋波

I-V節(jié)點(diǎn)電源通過旁路開關(guān)管及輸出二極管從恒流干路中獲取直流電壓，并通過自激推挽電路隔離輸出，電路結(jié)構(gòu)簡單，電子元器件少，符合高可靠性設(shè)計(jì)原則，同時(shí)效率高達(dá)90%，是遠(yuǎn)程恒流供電系統(tǒng)中水下電源的首選方案。

該電源已獲得了實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用，性能穩(wěn)定，可靠性高，抗干擾能力強(qiáng),以后還將進(jìn)一步完善及推廣。

[1]CHANT,LIUCC,HOWEBM,etal.FaultlocationfortheNEPTUNEpowersystem[J].IEEETransactionsonPowerSystems,2007,22(2)：522-523.

[2]ASAKAWAK,KOJIMAJ,MURAMATSUJ,etal.Current-to-currentconverterforscientificunderwatercablenetworks[J].IEEEJournalofOceanicEngineering,2007,32(3)：584-592.

[3] 王希晨，周學(xué)軍，周媛媛，等.適用于海底觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)的恒流遠(yuǎn)供系統(tǒng)可靠性分析方法[J].國防科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，37(5)：186-191.

[4] 張慶華，盧廣鋒，王子健.基于自激推挽式小型化二次電源的設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)，2009，46(5)：50-52.

[5] 段小虎，曹國雄.自激型推挽式直流變換器的“連通”現(xiàn)象[J].國外電子元器件，2002(5)：26-28.

DesignofI-VNodePowerSupplyinRemoteConstantCurrentPowerSupplySystem

CHENYa1,YANChuan-jiang2,ZHUXin2

(1.NavyMilitaryRepresentativeOfficeinWuxiProvince,Wuxi214061，China;2.The723InstituteofCSIC，Yangzhou225001，China)

Aimingatthespecialapplicationoccasionsofseafloorobservationnetwork,thispaperputsforwardtheprojectofremoteconstantcurrentpowersupplysystemwhichhassuperioritythanconstantvoltagepowersupply,andtheunderwaterI-Vnodepowersupplyisanimportantpartofthepowersupplysystem.ThedesignschemeofI-Vnodepowersupplyisintroduceddetailedly,andthepre-stageofpowersupplyisrealizedthroughthedesignmodeofswitchtubebypassandoutputdiode,therear-stageofpowersupplyusesself-excitedpush-pullconvertertooutputstablevoltageisolatedly.Thepowersupplycircuitisdesignedsimplyandeffectively,andusestheleastamountofcomponentstoachieveastableconstantcurrentandconstantvoltagepowersupplymodulewithhighefficiency.

remotepowersupply;constantcurrent/constantvoltage;self-excitedpush-pullconverter

2016-03-01

TM

B

CN32-1413(2016)03-0107-04

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.03.027