28V—120A開關(guān)直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)

摘 要：開關(guān)直流穩(wěn)壓電源具有體積小、重量輕、高效率、低紋波、動態(tài)響應(yīng)快、控制精度高等諸多優(yōu)點(diǎn)，為了得到符合實(shí)際需求的開關(guān)直流穩(wěn)壓電源，對28V-120A開關(guān)直流穩(wěn)壓電源進(jìn)行了設(shè)計(jì)與研究，主要由整流濾波、橋式開關(guān)電路、驅(qū)動電路、脈寬控制電路、輸出整流濾波電路、穩(wěn)壓與光電隔離電路、電壓與電流保護(hù)電路、面板指示與調(diào)整電路等組成，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了模式的正確性.

關(guān)鍵詞：開關(guān)直流穩(wěn)壓電源；電路設(shè)計(jì)；仿真分析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.10.148

1 引言

傳統(tǒng)的集中式電源供電系統(tǒng)已經(jīng)無法適應(yīng)市場的需求，逐漸被淘汰，而由多個電源模塊并聯(lián)組成的并聯(lián)電源系統(tǒng)[2]則被市場廣泛接受并且迅速發(fā)展。本課題設(shè)計(jì)了兩個電源模塊，單機(jī)可為28V-60A的用電設(shè)備供電，同時又可作為大型車輛的快速充電使用，是一種經(jīng)濟(jì)可靠的較大功率的開關(guān)電源。

單機(jī)模塊設(shè)計(jì)參數(shù)：

（1）220V/50Hz單相工頻交流電或者380V/50Hz三相工頻交流電；

（2）UO=28V，調(diào)整范圍28V±4V ；

（3）28V輸出時，最大輸出電流60A、電壓精度為±2.5%；

（4）波紋電壓有效值小于100mV；

（5）具有過流保護(hù)、過壓與欠壓、過熱保護(hù)功能與電風(fēng)扇轉(zhuǎn)速控制；

（6）最大電流50A時，連續(xù)工作時間不低于2小時；電流大小達(dá)到70%時，連續(xù)工作時間不低于100小時。

主、副電源模塊并聯(lián)運(yùn)行參數(shù)：

（1）并聯(lián)運(yùn)行電壓輸出范圍18V～32V，最大輸出電流120A；

（2）并聯(lián)運(yùn)行在31V/120A時，精度優(yōu)于0.5%，最大功率可達(dá)3.7kw；

（3）波紋電壓有效值優(yōu)于20mV。

2 單模塊及模塊并聯(lián)設(shè)計(jì)

2.1 單機(jī)主變換電路原理及考慮

主變換部分電路原理如圖1所示，基本的思路是將220V交流電經(jīng)過線路濾波器，再經(jīng)過高壓大電流全橋整流，使用兩個大容量電容（1000uF/250V）串聯(lián)均壓，將整流后約300V的直流電變換為兩個140V的直流電，供半橋變換電路使用。

半橋變換使用兩個大功率IGBT復(fù)合場效應(yīng)管（GT60N322，60A，1000V，內(nèi)置反向二極管）GT1、GT2，與兩個對稱的直流140V電源組成半橋電路.主開關(guān)變壓器初級線圈與電流互感器串聯(lián)，連接在VinDC-2與GT1、GT2中間，可以給初級線圈加入約為正負(fù)140V的電壓.按照額定交流電220V±44V考慮，線圈最低電壓約為110V，最高電壓約為168V.GT1、GT2在寬度可變反相脈沖作用下交替導(dǎo)通，將高壓直流電變換為寬度可變的電壓，經(jīng)過主開關(guān)變壓器后電壓幅度約為36V～42V，再經(jīng)過全波整流與兩級LC濾波電路變換為28V的直流電壓。

2.2 主控部分研制方案

由SG3525構(gòu)成的電源控制集成電路原理如圖2所示， OUTA、OUTB輸出兩個反相、占空比小于50%的脈沖波（一般最高取45%，防止共模導(dǎo)通現(xiàn)象），驅(qū)動開關(guān)管電路.為了提高驅(qū)動能力提高開關(guān)速度，輸出OUTA、OUTB采用全橋的二級驅(qū)動。

2.3 限流保護(hù)部分研制方案

該部分的主要作用是實(shí)現(xiàn)限流、保護(hù)等功能，電路原理如圖3所示。

（1）電風(fēng)扇控制。溫度測量使用了PN結(jié)反向電流度量，加到U1A反相端.在溫度較低時，通過大功率三極管控制電風(fēng)扇在低速運(yùn)行.相反，溫度升高后，輸出控制電壓變高，Q2三極管電流增大，提高轉(zhuǎn)速。

（2）電壓保護(hù)。以U1B為核心，構(gòu)成滯回比較器，在超過一定溫度時輸出高電壓，使面板故障等亮，輸出Vo2加到SG3525控制端，使其停止工作。

以U1D為核心構(gòu)成同相比較器方式的電壓保護(hù)，如果輸出電壓取樣后超過基準(zhǔn)電壓5V，則輸出高電平，直接連接到3525A關(guān)斷保護(hù)。

（3）輸出過流保護(hù)。U1C可以理解為反相加法器，構(gòu)成輸出過流保護(hù)電路.其中輸出電流取樣，相對GND為負(fù)電壓，Uref-R47提供正的電壓，防止U-出現(xiàn)過低的負(fù)電壓.CN7-限流調(diào)節(jié)，輸出正電壓，以射極輸出器方式將正電壓加到連接點(diǎn)，并連接到U1C-端.正常工作時，該點(diǎn)為正電壓，所以輸出Vo3為低電壓（近約為0.35V）。

2.4 并聯(lián)均流控制的實(shí)現(xiàn)

均流方法主要采用主從均流方法基礎(chǔ)再進(jìn)行設(shè)計(jì)，將樣機(jī)中的兩單個電源模塊確定出主機(jī)和副機(jī)。通過并聯(lián)控制電路板，通過主從均流方法，并聯(lián)后副機(jī)的電壓將跟隨主機(jī)的電壓變化，通過主副機(jī)之間的電壓偏差信號實(shí)現(xiàn)均流控制。如圖4所示，在電源模塊獨(dú)立工作時，主、副機(jī)電源模塊中的VR電位器調(diào)節(jié)旋鈕分別于各自的Rpot11、Rpotm12，Rpot21、Rpotm22接通，此時兩電源模塊獨(dú)立運(yùn)行。另外，主機(jī)電源模塊的Rpot11、Rpotm12直接相連，副機(jī)電源模塊要有繼電器的JF21雙刀雙擲開關(guān)控制。繼電器需要主機(jī)模塊的12V電源供電才能工作。主、副機(jī)模塊獨(dú)立工作時，即繼電器斷電的情況下，開關(guān)置于下方端子，即Rpot21、Rpotm22的接通，副機(jī)也在獨(dú)立運(yùn)行狀態(tài)。

如圖5所示，并聯(lián)控制電路板主要包括正母線并聯(lián)繼電器、取樣電流、比較放大器、V-I變換器及光電耦合器、信號切換繼電器等組成?？刂瓢迳蟽蓚€插頭JP+12V，將與主機(jī)12V電源和GND的連接.并聯(lián)控制開關(guān)部件有信號繼電器開關(guān)KP1-1、KP1-2（該繼電器通斷）、后面板的并聯(lián)開關(guān)、正母線通斷開關(guān)（使用12V/30A兩并聯(lián)繼電器開關(guān)）、負(fù)母線連通金屬片.并聯(lián)運(yùn)行前，必須做好將后面板的并聯(lián)開關(guān)由負(fù)母線金屬片壓力閉合，連接正母線，才能接入負(fù)載箱。負(fù)載箱含有A組、B組兩組相同的負(fù)載，樣機(jī)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目是通過進(jìn)行電流和電壓的測試。負(fù)載箱包括A、B兩組負(fù)載，在30V條件下，A組使用開關(guān)KA1～KA4使用開關(guān)可以連接3Ω/10A、3Ω/10A、2Ω/15A，2Ω/15A四種負(fù)載；在30V條件下，B組使用開關(guān)KB1～KB4使用開關(guān)可以連接3Ω/10A、3Ω/10A、2Ω/15A，2Ω/15A四種負(fù)載。

從表1可以看出，單個電源模塊獨(dú)立運(yùn)行時，電源的穩(wěn)壓精度較高，紋波系數(shù)滿足了設(shè)計(jì)要求。圖17說明了開關(guān)電源在不同負(fù)載下驅(qū)動電路對開關(guān)的的調(diào)節(jié)情況，可以看出信號比較可靠、準(zhǔn)確。圖10，分別為 Uo=28V時接入兩2//2歐姆負(fù)載時，主副機(jī)并聯(lián)均流情況主機(jī)14.1A，副機(jī)為13.0A、 Uo=28V時接入兩3//3//2//2（Ω）負(fù)載時，主機(jī)24.7A，副機(jī)21A，從并聯(lián)均流情況，從均流情況來看滿足設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)語

開關(guān)電源設(shè)備的發(fā)展不僅受到電力電子技術(shù)發(fā)展的制約，而且受到設(shè)備制造技術(shù)、市場需求、制造成本與利潤等多方面因素的影響.但開關(guān)電源設(shè)備的發(fā)展呈現(xiàn)高頻化和小型化的趨勢，模塊化并聯(lián)技術(shù)日益成熟，這就為提高中功率開關(guān)電源改進(jìn)和優(yōu)化奠定必備的硬件基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]華偉，周文定，現(xiàn)代電力電子器件及其應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2002：1-5.

[2]路鳴，楊恒，丘野龍.自動均流技術(shù)及負(fù)載均流集成電路控制器UC3907[J].電子技術(shù)，1999（10）：27-30.

[3]鄭則炯.淺析開關(guān)電源并聯(lián)系統(tǒng)自動均流技術(shù)[J].科技展望， 2017，27（21）：131.

[4]李奎偉.程控直流開關(guān)電源模塊的主從式并聯(lián)均流設(shè)計(jì)[J].電子世界，2017（09）：142.

作者簡介：高明（1982-），男，本科，講師，研究方向：電工電子技術(shù)。