基于拓?fù)渥赃m應(yīng)的通用武器供電電源節(jié)能技術(shù)研究

丁立平，洪 林，張 罡，張 帥，曹建鋒

（上海機(jī)電工程研究所，上海 201109）

0 引 言

傳統(tǒng)的專用武器供電電源只需要滿足該型武器特定的電源需求，其電壓和功率的變化范圍較小，可以針對性地采用一種最優(yōu)拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)最優(yōu)設(shè)計。相比傳統(tǒng)的專用電源而言，通用武器供電電源需要滿足不同的武器供電負(fù)載需求，供電通路多、范圍寬、功率大。同時，由于發(fā)射平臺的通用化要求［1］，各路輸出直流電必須相互獨(dú)立，因此需要配置較多的獨(dú)立電源模塊，由此導(dǎo)致通用武器供電電源額定功率是傳統(tǒng)專用電源的額定功率幾倍。大功率電源的損耗會產(chǎn)生大量的熱量，導(dǎo)致電源溫升，從而影響其可靠性和壽命。因此，電源的低損耗、高功率密度和高可靠成為通用武器供電電源設(shè)計的技術(shù)難題。

本文針對通用武器供電電源工作狀態(tài)和負(fù)載特點(diǎn)，采用針對性的高可靠綠色節(jié)能技術(shù)，降低電源損耗，減小溫升，實(shí)現(xiàn)通用武器供電電源高可靠和小型化。

1 武器供電電源

開關(guān)電源是將一種電源轉(zhuǎn)換為另外一種電源的電子設(shè)備，按控制方式進(jìn)行分類，一般可分為線性電源和開關(guān)電源兩類［2］。其中，線性電源的輸出紋波小、電磁兼容性高，但效率低、發(fā)熱大、電源體積大；開關(guān)電源效率高、發(fā)熱量小、體積小、重量輕，逐漸取代了線性電源。

開關(guān)電源一般由輸入緩啟電路、整流濾波電路、功率變換開關(guān)電路、變壓器、功率開關(guān)管驅(qū)動電路、控制電路、輔助電源電路等組成［3］。

開關(guān)電源的發(fā)熱量比線性電源的發(fā)熱量小，但是由于通用武器供電電源需要適應(yīng)各種負(fù)載，所以其電源額定功率大，從而導(dǎo)致發(fā)熱量也很大。而電子元器件的失效率與溫度有關(guān)，業(yè)界采用一度法則，即電子元器件溫度降低1℃，可靠性可提高10%。因此，降低電源熱損耗是通用武器供電電源實(shí)現(xiàn)高可靠性和小型化的關(guān)鍵。

開關(guān)電源的損耗主要由3部分構(gòu)成：開關(guān)損耗、傳導(dǎo)損耗、控制回路損耗。開關(guān)損耗是指開關(guān)電源由于開關(guān)功率器件的狀態(tài)切換而導(dǎo)致的功率損耗，主要與開關(guān)頻率有關(guān)。一般來說，對于一個特定的功率器件，開關(guān)頻率越高，開關(guān)損耗就越大。傳導(dǎo)損耗是指功率傳輸中傳導(dǎo)線路固有的阻抗所導(dǎo)致的功率損耗，傳輸線路阻抗越大，傳導(dǎo)損耗就越大?？刂苹芈窊p耗主要是指由緩啟電路、控制芯片等所導(dǎo)致的損耗。當(dāng)前，開關(guān)電源中開關(guān)損耗在整個電源損耗中占比最大。

開關(guān)損耗與所采用的電源變換器拓?fù)潢P(guān)系密切，目前開關(guān)電源主要采用以下幾種變換器拓?fù)?，其拓?fù)涮攸c(diǎn)如表1所示。

表1 開關(guān)電源主要拓?fù)涮攸c(diǎn)Tab．1 Main features of switching power supply topology

武器供電電源采用開關(guān)電源形式，根據(jù)表1所列出的拓?fù)涮攸c(diǎn)，結(jié)合通用武器供電電源的大功率、高效率和小型化使用需求，采用全橋拓?fù)錇樽顑?yōu)選擇［4－5］。

全橋變換器一般采用脈寬調(diào)制（pulse width modulation，PWM）控制方式。PWM控制具有效率高、動態(tài)性能好、線性度高等優(yōu)點(diǎn)。電源采用單一的PWM拓?fù)?，功率開關(guān)管工作在硬開關(guān)狀態(tài)，即功率開關(guān)管開通時，其兩端電壓漸變?yōu)榱?，電流過渡提升；關(guān)斷時，其兩端電流漸變?yōu)榱?，電壓過渡提升。功率開關(guān)管開通和關(guān)斷的漸變過程，導(dǎo)致了電壓和電流的交疊，產(chǎn)生開通損耗、關(guān)斷損耗和功率開關(guān)管的結(jié)電容充放電損耗等［6］。而硬開關(guān)所引起的損耗與開關(guān)頻率正相關(guān)。為提升功率密度，實(shí)現(xiàn)小型化，通用武器供電電源大多采用高工作頻率。硬開關(guān)損耗的存在，使得熱損耗急劇增大，效率降低。另外，由于變換器電路中的寄生電感和電容的存在，硬開關(guān)過程會產(chǎn)生較強(qiáng)的尖峰電壓和浪涌電流，引起強(qiáng)電磁干擾［7］。

為進(jìn)一步降低硬開關(guān)帶來的損耗，在通用武器供電電源輸出大電流時，可采用零電壓開關(guān)（zero voltage switch，ZVS）控制實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)控制。ZVS通過諧振電路實(shí)現(xiàn)，利用LC諧振降低功率開關(guān)管開關(guān)過程中的損耗，提高開關(guān)頻率，從而減小變換器中變壓器和濾波元件的體積，在保持變換器高效率的前提下，極大地提高變換器的功率密度。

2 綠色綜合節(jié)能技術(shù)

2．1 移相全橋軟開關(guān)技術(shù)

通用武器供電電源采用ZVS移相全橋拓?fù)浼夹g(shù)，其原理如圖1所示。電源主控芯片采用移相全橋控制器對開關(guān)電路進(jìn)行移相控制，實(shí)現(xiàn)功率級的恒頻PWM控制。對每個半橋獨(dú)立設(shè)置死區(qū)時間，確保在該死區(qū)內(nèi)開關(guān)管寄生電容（或外置諧振電容）放電完畢，為即將開通的功率開關(guān)管提供零電壓開通條件。

圖1 ZVS移相全橋拓?fù)湓鞦ig．1 Principle of ZVS phase－shifted full－bridge topology

ZVS移相全橋變換器通過諧振電感Lr和功率開關(guān)管 Q1～Q4（Q1、Q2為超前臂，Q3、Q4為滯后臂）的寄生電容C1～C4構(gòu)成諧振軟開關(guān)網(wǎng)絡(luò)［8］。變換器功率開關(guān)管的開通、關(guān)斷以及變壓器原邊電流與副邊電壓波形如圖2所示。由于實(shí)現(xiàn)了功率開關(guān)管開通、關(guān)斷瞬間的ZVS開通、關(guān)斷，避免了功率器件大電流和高電壓同時出現(xiàn)的硬開關(guān)狀態(tài)，抑制了功率開關(guān)管開通、關(guān)斷時產(chǎn)生的電壓尖峰，減少了開關(guān)損耗與干擾。

圖2 ZVS移相全橋波形示意圖Fig．2 ZVS phase－shifted full－bridge waveform

為驗證ZVS移相全橋拓?fù)湎鄬WM硬開關(guān)拓?fù)涞碾娫葱矢?，制作了兩種供電電源原理樣機(jī)（分別采用交錯正激硬開關(guān)拓?fù)浜蚙VS移相全橋拓?fù)洌?，并進(jìn)行了實(shí)物測試。每種供電電源均包含12路獨(dú)立供電，覆蓋3種功率需求。兩種不同拓?fù)潆娫丛順訖C(jī)效率實(shí)測數(shù)據(jù)對比如表2所示。

表2 不同電源拓?fù)漕~定負(fù)載下的效率對比表Tab．2 Efficiency comparison of two power－topology under rated load

電源效率為在額定負(fù)載條件下電源的輸出功率與輸入功率之比，電源損耗為電源輸出功率和輸入功率之差。通過實(shí)測兩種不同拓?fù)湎碌碾娫磽p耗，可以發(fā)現(xiàn)，在額定負(fù)載條件下，相比交錯正激拓?fù)潆娫?，ZVS移相全橋拓?fù)潆娫吹臒釗p耗降低3%左右。

由于通用武器供電電源需要適配不同的負(fù)載需求，對ZVS移相全橋拓?fù)潆娫吹哪骋宦饭╇娡愤M(jìn)行了不同負(fù)載條件下的損耗測試，測試數(shù)據(jù)如表3所示，負(fù)載電流與損耗關(guān)系如圖3所示。

表3 ZVS移相全橋供電電源負(fù)載與損耗關(guān)系表Tab．3 Relation between load ＆loss of ZVS phase－shifted full－bridge power supply

圖3 移相全橋供電電源損耗與負(fù)載關(guān)系圖Fig．3 Relation between load ＆loss of phase－shifted full－bridge power supply

由圖3可以看出，電源的損耗與負(fù)載不是正向遞增關(guān)系，空載時損耗很大，為22．00W（因為輸出濾波電容的存在，實(shí)際空載時輸出負(fù)載電流不為0），隨后下降；負(fù)載電流為5 A時損耗最小，為10．82 W；后續(xù)隨著負(fù)載電流的增加，損耗逐漸增大。通用武器供電電源在實(shí)際使用工況中長時間處于空載或輕載（一般5%～10%負(fù)載電流以下視為輕載）模式，而基于ZVS移相全橋拓?fù)涞墓╇婋娫丛诳蛰d時的損耗卻為峰值，因此在實(shí)際裝備中使用這種拓?fù)潆娫创嬖跇O大的缺陷。

2．2 拓?fù)渥赃m應(yīng)技術(shù)

保證ZVS移相全橋拓?fù)潆娫锤咝Чぷ鞯那疤釛l件是諧振電路能正常工作。在ZVS移相全橋中，理想條件下滯后臂的起振條件需滿足式（1）。

式中：Lr為諧振電感；Io為負(fù)載電流；n為變壓器變比；CS為功率管等效電容；CT為變壓器繞組分布電容；Uin為輸入電壓。

由式（1）可以看出，器件選型后CS、CT的取值是固定的，若要滿足滯后臂的起振條件，只能加大Lr或Io的值。實(shí)際工況中，在輸出電流很小或幾近空載時，滯后臂的起振已很難實(shí)現(xiàn)，這種情況下反而會因為無法諧振導(dǎo)致諧振電流在回路流動引起無謂損耗。隨著輸出電流的增大，滯后臂起振進(jìn)入ZVS軟開關(guān)模式后，電源損耗會明顯下降。實(shí)際上，在重載時移相全橋變換器處于ZVS軟開關(guān)模式，電源損耗降低。而工作于硬開關(guān)模式的電源雖然在大負(fù)載條件下?lián)p耗變大，但在輕載（包括空載）時損耗卻比較小。因此，如果電源能夠在輕載時采用硬開關(guān)技術(shù)，在重載時采用軟開關(guān)技術(shù)，則可以極大降低電源輕載下的電源損耗，也可優(yōu)化通用武器供電電源對武器供電的適應(yīng)范圍。

在原ZVS移相全橋拓?fù)涞幕A(chǔ)上增加自適應(yīng)切換設(shè)計，通過檢測輸出電流來判斷切換電路的開啟點(diǎn)。當(dāng)切換電路作用時，電路進(jìn)入硬開關(guān)模式，降低輕載功耗，提高轉(zhuǎn)換效率；當(dāng)切換電路關(guān)閉時，電路進(jìn)入ZVS軟開關(guān)模式，提高重載時的轉(zhuǎn)換效率。切換電路主要由兩個門電路組成，如圖4所示。

圖4 拓?fù)淝袚Q電路示意圖Fig．4 Schematic diagram of topology switching－circuit

拓?fù)淝袚Q電路的工作原理：在負(fù)載電流較?。娏鞲鶕?jù)電源功率選定）時，切換開關(guān)為無效電平，或門（U1）4路輸出信號OR1～OR4與驅(qū)動輸入信號Out＿D、Out＿C、Out＿B、Out＿A一致，U1輸出的4路驅(qū)動信號OR1～OR4進(jìn)入與門（U2）后，Q1和Q4的驅(qū)動信號（Drive＿Q1、Drive＿Q4）、Q2和 Q3的驅(qū)動信號（Drive＿Q2、Drive＿Q3）經(jīng)過與門后再分別驅(qū)動 Q1～Q4，此時Q1和Q4驅(qū)動信號的時序相位一致，Q2和Q3驅(qū)動信號的時序相位一致，實(shí)現(xiàn)雙極性控制，即全橋變換器工作于硬開關(guān)模式；在負(fù)載電流增大到閾值時，切換開關(guān)常有效，U1的4路輸出常有效，此時，U2的4路輸出信號為ZVS軟開關(guān)（即諧振狀態(tài)）的驅(qū)動信號，移相全橋變換器工作于軟開關(guān)模式。

2．3 遠(yuǎn)程喚醒技術(shù)

裝備處于值班模式時，通用武器供電電源將長時間處于空載狀態(tài)。為進(jìn)一步降低空載損耗，使用遠(yuǎn)程喚醒技術(shù)。值班時，電源進(jìn)入睡眠模式；作戰(zhàn)時，通過遠(yuǎn)程喚醒，電源迅速啟動，及時給負(fù)載供電。

從電源供電輸入到建立輸出，啟動步驟嚴(yán)格，一般需要數(shù)秒時間完成整個過程。如果采用切斷輸入電源的方式進(jìn)入睡眠模式，就會因為時效性不滿足要求而無法滿足武器供電戰(zhàn)技指標(biāo)。

如果值班模式下開關(guān)電源部分電路處于工作狀態(tài)，在接收外部指令后喚醒其他電路，就可以極大地加快開機(jī)過程。為此，進(jìn)一步改進(jìn)開關(guān)電源設(shè)計，增加外部開／關(guān)機(jī)控制電路。電源進(jìn)入睡眠模式時，主回路不工作，只有輔助電源電路工作。由于電源損耗主要集中在主回路中，因此睡眠模式下電源損耗極小。遠(yuǎn)程開／關(guān)機(jī)示意圖如圖5所示。

圖5 遠(yuǎn)程開／關(guān)機(jī)示意圖Fig．5 Schematic diagram of remote On／Off switch

圖5中，當(dāng)無需給負(fù)載供電時，遠(yuǎn)程控制信號為關(guān)機(jī)指令，此時主回路（DC／DC和輸出整流濾波電路）處于非工作狀態(tài)，其余輔助電源電路工作；當(dāng)進(jìn)入開機(jī)模式后，遠(yuǎn)程控制信號為開機(jī)指令，此時電源開機(jī)，電源工作于硬開關(guān)模式的輕載狀態(tài)；當(dāng)需要帶載供電時，電源切換進(jìn)入ZVS移相全橋模式。

3 試驗結(jié)果分析

對采用自適應(yīng)拓?fù)淝袚Q的原理樣機(jī)進(jìn)行實(shí)物損耗功率測試，負(fù)載電流與功率損耗數(shù)據(jù)見表5，電流與損耗關(guān)系見圖6。

表5 拓?fù)渥赃m應(yīng)切換供電電源損耗與負(fù)載關(guān)系表Tab．5 Relation between load ＆loss of topology adaptive－switching power supply

根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)可知，改進(jìn)后的通用武器供電電源在空載和輕載模式下?lián)p耗大大減小，特別是電源空載時損耗由原來的22．00W降低為6．10 W，極大程度地降低了功率損耗。

對采用遠(yuǎn)程喚醒技術(shù)的樣機(jī)進(jìn)行睡眠模式功耗測試，睡眠模式下電源損耗僅3．07 W，比PWM硬開關(guān)的開機(jī)模式電源損耗降低約一半。對睡眠模式啟動的時效性進(jìn)行測試，波形如圖7所示。

圖6 拓?fù)渥赃m應(yīng)切換供電電源損耗與負(fù)載關(guān)系Fig．6 Relation between load ＆loss of topology adaptive－switching power supply

圖7 通用武器供電電源從睡眠模式到喚醒模式的輸出信號波形Fig．7 Output signal waveform of universal weapon power supply from sleep－mode to wake－up mode

圖7中橫坐標(biāo)為時間，每格為40 ms，通用武器供電電源從睡眠模式喚醒到額定電壓穩(wěn)定輸出的時間約為80 ms，滿足系統(tǒng)使用要求。

采取上述綜合節(jié)能措施的武器供電電源，在自然散熱條件下按電源正常工作過程進(jìn)行溫升測試，結(jié)果顯示溫升下降一半以上，明顯提高了電源可靠性。

4 結(jié)束語

首先，針對武器專用供電電源無法滿足通用武器供電需求的問題，采用了高性能的ZVS移相全橋拓?fù)浼夹g(shù)；然后，針對通用武器供電電源供電范圍寬和輕載損耗大的問題，采用了自動拓?fù)淝袚Q技術(shù)；最后，采用了遠(yuǎn)程喚醒技術(shù)進(jìn)一步降低長時間空載工況下電源的發(fā)熱損耗。通過對實(shí)物樣機(jī)進(jìn)行測試，結(jié)果表明：采用以上3種方法的綜合節(jié)能技術(shù)后，通用武器供電電源的損耗大幅度降低，可適應(yīng)各種負(fù)載需求，提高了可靠性。