高功率密度大功率電源關(guān)鍵技術(shù)研究

陳雙喜

摘 要：本文根據(jù)電源研發(fā)的指標(biāo)要求，基于大功率開關(guān)電源的實(shí)現(xiàn)方案，研究了高功率密度大功率電源的關(guān)鍵技術(shù)，主要內(nèi)容包括主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、方案設(shè)計(jì)、整流濾波技術(shù)、仿真技術(shù)等。

關(guān)鍵詞：高功率密度;大功率;電源;關(guān)鍵技術(shù)

中圖分類號(hào)： TL503.5 ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)： 1673-1069（2017）01-176-2

0 ?引言

經(jīng)過長期的發(fā)展，電源技術(shù)已經(jīng)非常成熟，包括軟開關(guān)技術(shù)、組裝技術(shù)、整流技術(shù)、智能化控制技術(shù)等，電源技術(shù)的未來發(fā)展方向?yàn)橹悄芑?、高頻化、綠色化、高功率密度以及高可靠性等。

對(duì)于電源工程師來說，高功率密度是主要的追求目標(biāo)，提高開關(guān)的頻率、減小變壓器和濾波電感電容的體積是研發(fā)重點(diǎn)，要想達(dá)到這個(gè)目標(biāo)，高頻變壓器的磁芯要使用高導(dǎo)磁率、高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度、低損耗以及良好穩(wěn)定性的鐵磁材料，現(xiàn)在市場(chǎng)上小功率開關(guān)電源的功率密度較高，例如，最大輸出功率600W的軟開關(guān)DC/DC產(chǎn)品的功率密度為120W/in3[1]，大功率開關(guān)電源工頻隔離產(chǎn)品的功率密度小于0.1W/cm3，相對(duì)于小功率開關(guān)電源，大功率開關(guān)電源的功率密度有較大的提升空間。

1 ?開關(guān)電源的方案設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)方案

如果是一個(gè)閉環(huán)數(shù)字控制直流電源系統(tǒng)，一般包括功率變換、檢測(cè)反饋和控制驅(qū)動(dòng)三部分。（如圖1所示）大功率開關(guān)電源常用的結(jié)構(gòu)方案有三種：分別是單功率單元單控制方案、多功率單元井聯(lián)單控制系統(tǒng)方案和多功率單元多控制系統(tǒng)方案。其中單功率單元單控制方案下，一個(gè)控制器控制一個(gè)功率單元，其優(yōu)點(diǎn)是高頻變壓器副邊具有較好的均流特性，其缺點(diǎn)是對(duì)元器件的性能要求較高，大容量高頻變壓器的設(shè)計(jì)和制作比較困難;多功率單元井聯(lián)單控制系統(tǒng)中多個(gè)功率單元共用控制系統(tǒng)，每個(gè)功率單元具有相同的硬件電路，[2]其優(yōu)點(diǎn)是控制器成本相對(duì)較低，但是如果全功率輸出電源，各個(gè)功率單元不均流;多功率單元多控制系統(tǒng)中每個(gè)功率單元具有獨(dú)立的控制系統(tǒng)，解決了各功率單元并聯(lián)均流的問題，可以進(jìn)行模塊化生產(chǎn)，但是控制相對(duì)較復(fù)雜，不易進(jìn)行同步控制。[3]

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圖1

1.2 主電路方案

1.2.1 ?輸入整流方案

輸入整流電路將市電整流為直流電，供給逆變電路，包括二極管整流技術(shù)和晶閘管整流技術(shù)。二極管整流設(shè)備比較簡(jiǎn)單，產(chǎn)生的高次諧波較少，晶閘管整流可以調(diào)節(jié)整流輸出電壓，但設(shè)備較復(fù)雜，可靠性不高，產(chǎn)生的高次諧波較多。從設(shè)計(jì)應(yīng)用背景的角度，采用較多的是二極管整流方式。

1.2.2 ?DC/DC方案

直流變換器分為不帶隔離變壓器和帶隔離變壓器，逆變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括正激、反激、推挽、半球等結(jié)構(gòu)。如果功率開關(guān)的電壓和電流相同，輸出功率與開關(guān)管的數(shù)量成正比。全橋直流變換器廣泛應(yīng)用于大功率場(chǎng)合，[4]如果直流變換器沒有電氣隔離，可以通過改變占空比來改變輸出電壓，有隔離變壓器的直流變換器具有電氣隔離作用，電源的利用率較高。輸出高頻整流有半波、全流和全橋三種，其中全波整流應(yīng)用于低壓場(chǎng)合。本文采用的是全橋有電氣隔離的全波整流輸出DC/DC變換器。

2 ?開關(guān)電源的參數(shù)設(shè)計(jì)

功率電路的基本參數(shù)為：P=200kW;電網(wǎng)波動(dòng)10%;輸入電壓342-418V（AC），輸出電壓80V（DC），電流2500A，整機(jī)效率90%。采用的是四路相同功率單元并聯(lián)輸出，單路的輸出功率為60kW。

2.1 輸出整流部分

主接觸器的規(guī)格為100A/690V，進(jìn)線電流為1-2倍的安全裕量;熔斷器的電流為150A;三相整流橋的輸出電壓為461-564V，三相整流輸出電流為118-144A，輸出電流的峰值為124-152A，直流輸出電阻為4歐，三相整流橋的進(jìn)線電流為101-124A。三相整流電路的額定電壓取1600V，額定電流取300A。

為了保證輸出電壓的平直，一般電解電容的耐壓值為400V，為了滿足耐壓的需要，兩個(gè)電容要進(jìn)行串聯(lián)，電容量減為一增。為滿足電容量的要求，選擇3300UF/450V電解電容兩兩串聯(lián)后半聯(lián)作為濾波電容，限流電抗設(shè)定為2mH/200A。

2.2 逆變部分

IGBT承受的正向電壓即為前端整流器的輸出電壓，留有2-3倍的安全裕量，IGBT的額定電壓為1026-1539V，負(fù)載電壓取1200V，逆變輸出基波電流為144A，最大電流為180.49A。

3 ?開關(guān)電源關(guān)鍵技術(shù)

3.1 濾波技術(shù)

濾波器設(shè)計(jì)是電磁兼容設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，濾波器的性能決定著電器設(shè)備是否正常運(yùn)行，一般根據(jù)電壓電流的紋波要求來選擇濾波器參數(shù)。濾波技術(shù)下可以選擇性地傳輸信號(hào)，濾波器可以減少開關(guān)器件的電應(yīng)力，抑制輸入端的脈動(dòng)電壓和輸出紋波。

根據(jù)處理信號(hào)的不同，濾波器可以分為數(shù)字和模擬兩種，根據(jù)應(yīng)用的器件不同可以分為有源和無源兩種。有源濾波器是可以進(jìn)行動(dòng)態(tài)濾波，補(bǔ)充功率。本文研究的開關(guān)電源采用的是無源濾波技術(shù)。

在電路中，陰極和陽極各有三個(gè)二極管，陽極所接入的交流電壓值最高，陰極接入的交流電壓值最低，不論哪種情況下共陽極和共陰極組都有一個(gè)二極管是導(dǎo)通的。整流輸出波形為六個(gè)波頭，如果沒有二極管導(dǎo)通，則電容供電，電壓逐漸下降，二極管組成的三相整流電路將交流電轉(zhuǎn)換，濾波后為直流電壓，供給逆變電路。[5]

3.2 PSPICE仿真技術(shù)

PSPICE主要進(jìn)行計(jì)算機(jī)系列的電路原理分析，廣泛應(yīng)用于電路分析以及優(yōu)化設(shè)計(jì)領(lǐng)域，可以進(jìn)行自動(dòng)化電子設(shè)計(jì)，完成電路性能仿真、參數(shù)分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)等功能，可以取代電路和電路實(shí)驗(yàn)中的器件，是通用電路模擬程序中應(yīng)用較廣泛的軟件。

通過仿真可以研究整流橋后加電容濾波、整流橋后加LC濾波、整流橋前加電感整流橋后加電容三種情況，不同的濾波，可以產(chǎn)生不同的電流變化，Lc濾波也會(huì)對(duì)電源輸出紋波以及功率因數(shù)產(chǎn)生影響，前級(jí)和后級(jí)LC濾波會(huì)產(chǎn)生不同的作用。不同電感時(shí)電源功率因數(shù)變化如表1所示。

表1

[電感＼&0.2×3＼&0.3×3＼&0.4×3＼&0.5×3＼&0.6×3＼&THD

功率因數(shù)＼&59.90%

0.857823＼&45.20%

0.911020＼&38.85%

0.932031＼&34.07%

0.946566＼&30.22%

0.957190＼&]

通過仿真可以看出，單個(gè)電容濾波時(shí)，各相電流的畸變較大，功率因數(shù)低，輸出電壓的波動(dòng)較大;三相整流輸出加上LC濾波后，電流的波動(dòng)較小，功率提高，輸出電壓的波動(dòng)減小。如果電感在整流橋之前加入，電感會(huì)增大，功率因數(shù)會(huì)提高，電感如果為1.8mH，則比LC濾波的功率因數(shù)要大;整流橋前進(jìn)線電路加電感，如果整流橋發(fā)生短路，電抗會(huì)阻礙電流的突變，為進(jìn)行系統(tǒng)檢測(cè)爭(zhēng)取了時(shí)間，整流橋后加電感，三個(gè)電感的體積大于相同電感量的電感，成本較高。

總之，三相整流后濾波對(duì)功率因數(shù)的影響較大，但對(duì)電壓紋波的影響較小，全波整流后對(duì)功率因數(shù)的影響較小，主要吸收的是全波整流電壓中的高頻部分，從而致使負(fù)載電壓產(chǎn)生較小的波動(dòng)。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] C.R.Swartz.新型功率系統(tǒng)級(jí)封裝隔離轉(zhuǎn)換器—設(shè)定行業(yè)尺寸—功率密度和系統(tǒng)設(shè)計(jì)靈活性[J].Design Ideas，2013.

[2] 張欣.一種輔助電流可控的移相全橋零電壓開關(guān)變換器[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2014.

[3] 李宏.全橋移相大功率開關(guān)電源的設(shè)計(jì)[D].江南大學(xué)，2015.

[4] 陳武，等.DC/DC多模塊串并聯(lián)組合系統(tǒng)控制策略[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2013.

[5] 李曉帆，等.大功率低電壓大電流開關(guān)電源輸出電路研究[J].船電技術(shù)，2014.