基于直流48 V轉直流650 V電源設計要點探究

管梁

摘 要：直流48 V轉直流650 V電源的主要設計功能是在特殊情況下，市電供電系統(tǒng)三相380 V發(fā)生輸入故障時或三相PFC整流電路發(fā)生故障時，該電源的高品質輸出650 V作為后級高壓模塊逆變環(huán)節(jié)的備用輸入（高壓逆變模塊輸入為650 V），從而保證整套遠程供電電源系統(tǒng)的運行可靠性以及連續(xù)性。因此，本文圍繞直流48 V轉直流650 V電源設計要點進行探究。

關鍵詞：直流48 V;直流650 V;電源;設計要點

中圖分類號：TN86 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1064（2021）01-070-04

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.01.031

直流48 V轉直流650 V電源是一種將直流開關電源輸入48 V或電池電壓輸入48 V，經過直流濾波、高頻逆變、電氣隔離、副邊二次整流以及輸出濾波環(huán)節(jié)，變換為高品質輸出650 V直流電源。原理如圖1所示。

1 直流48V—直流650V電源總體設計思路

任何工作的開展都需要有著明確的思路，為實現(xiàn)雙電源的切換，本研究采用的電源系統(tǒng)置于岸基電能轉換機柜中，并設有岸基蓄電池機柜;岸基電能轉換機柜與岸基蓄電池機柜在A、B兩岸分別各置一個，從而保證A、B兩岸遠程供電電源系統(tǒng)電能備用，確保遠程供電電源系統(tǒng)的運行高可靠性，具體安置分布如圖2所示。

其中，直流48 V轉直流650 V電源采用DC/DC升壓變換以及整機控制的總體設計方案，其主要功能電路包括開關電源48 VDC輸入與蓄電池組48 V輸入切換電路、DC/DC升壓變換模塊（6模塊并聯(lián)）、650 V輸出濾波切換電路以及監(jiān)控系統(tǒng)，如圖3所示。

2 開關電源48 VDC輸入與蓄電池組48 V輸入切換原理

以往在進行雙電源設計時，一般以人工方式來進行，也就是在主電源出現(xiàn)故障之后，采取人工的方式，將電源從主電源向備電源切換，此時備電源成為負載的供電電源。這樣就能減少故障帶來的影響，使得直流電源設備可以更加可靠地運行。但是在切換時會出現(xiàn)負載短暫中斷的問題，從而對設備運行的安全可靠性帶來影響。因此手動切換主要用于負載供電在切換時間要就不高的情況下使用。而針對本電源系統(tǒng)的特殊應用場合以及供電要求，提出一種在線雙電源切換方式，如圖4所示。該方式應用二極管的單向導電性實現(xiàn)雙電源系統(tǒng)的在線切換，從而保證電源的連續(xù)性供電要求。

工作原理：正常使用情況下，直流接觸器S1、S2均為常閉狀態(tài)，48 V開關電源輸入與48 V電池組輸入都分別串接二極管D1、D2。當48 V開關電源與48 V電池組雙電源輸入同時存在下，由于二極管的單向導電性，雙電源輸入系統(tǒng)中，優(yōu)先使用電壓高者作為輸入電源;當48 V開關電源發(fā)生故障時，接觸器S1斷開，系統(tǒng)由48 V電池組提供能量，且由于48 V電池組一直與輸入端保持著電氣連接，當48 V開關電源掉電后，48 V電池組能實現(xiàn)在線切換電能，保證了系統(tǒng)的供電連續(xù)性。

串接二極管主要作用為：整機電源備用電池組在正常使用情況下存在電池浮充狀態(tài)，電池電壓會高過額定輸入電壓48 V的情況，為了避免48 V電池組過壓、倒灌能量損壞客戶開關電源，串接二極管D1防止類似事故發(fā)生;第二，為了避免客戶開關電源在使用過程中對整機電源備用電池組進行充電操作，串接二極管D2防止充電電流形成[1]。

3 DC/DC升壓變換設計要點

DC/DC升壓變換部分是直流48 V轉直流650 V電源系統(tǒng)的核心部分，由6個DC/DC升壓變換模塊并聯(lián)組成，如圖5所示。

3.1 DC/DC升壓變換模塊——主電路

3.1.1 主電路拓撲結構分析

主電路作為DC/DC升壓變換模塊之一，在實際設計中，本研究的DC/DC升壓變換模塊主電路采用全橋軟開關拓撲結構，變換器為電壓源型;DC/DC升壓變換模塊后端輸出采用“多重變壓器+全橋整流輸出串聯(lián)”，如圖6所示，屬于副邊整流電路，具有電壓高和電流大的特點，因此需要采取全橋整流式電路，將變壓器副邊的中央抽頭組合后形成了雙母線電壓，二次側每組變壓器穩(wěn)壓輸出325 V，由兩組副邊整流、濾波串聯(lián)實現(xiàn)高壓650 V直流輸出。

3.1.2 DC/DC升壓變換模塊的拓撲結構與基本主電路架構的差別梳理

而在此基礎上，本DC/DC升壓變換模塊額定功率設計為2 kW，最大輸出功率為2.5 kW。通過實際經驗來看，因此此類電壓有著較大的升壓比，相較于普通的全橋架構中的升壓比要大很多，所以本設計的電路為拓撲電路，相較于常見的主電路，在結構上存在以下差別：第一，在主電路中采用了常規(guī)的移相全橋軟開關變換器，而副邊整流電路的電壓高和電流大，加上采用的是雙母線電壓，而副邊整流電路中應用了兩組全橋整流式的電路，且將其串流后，就能為整流二極管選型提供便利，使得二極管在電氣特性上得以提升;第二，在高頻變壓器中不用增加諧振電感，加上此電路屬于單電壓環(huán)控制，此時就需要外加一個隔直電容。超前臂的開關關斷時，由于原邊電流幾乎就是恒流電路，所以這一電路的能量十分充足，這樣就能為即將運行的MOS結電容放電，從而易于實現(xiàn)ZVS諧振電感是用來幫助實現(xiàn)滯后橋臂的零電壓開關，為MOS管的零電壓開關提供足夠的能量。為了對滯后橋臂零電壓開關進行優(yōu)化，必須滿足下式：，其中l(wèi)out_0.3代表負載30%時的輸出電流。

3.1.3 設計說明與注意事項

在本設計中，通過實際制作后發(fā)現(xiàn)，高頻變壓器經測試顯示是：原邊漏感能有效的滿足諧振電感的需要，因此本設計中不用新增諧振電感，但是在本設計中，面對不同于基本型移相全橋軟開關變換器電路，所以需要重點解決在低壓、大電流輸入情況下DC/DC升壓變換模塊的雜散電感與雜散電容對其高頻逆變運行的影響。

3.2 DC/DC升壓變換模塊——控制電路

控制電路的主要任務是完成逆變電路的閉環(huán)控制，通過對反饋和給定兩種信號對比和控制運算后，發(fā)出控制脈沖，控制逆變電路的功率器件開關，從而實現(xiàn)有源濾波、穩(wěn)壓等功能。具體的做法如下：首先電源取電電路從一次電路后端取電，變換為各種電壓后為所有的控制電路供電;其次，再對電路的各種參數(shù)進行檢測，檢測后得到電流和電壓等參數(shù)向控制、保護、均流電路反饋;最后，驅動電路把控制電路發(fā)出的控制脈沖經功率放大后驅動開關器件。

3.3 DC/DC升壓變換模塊——主要關鍵技術

3.3.1 軟開關技術

開關元件在電路中的電壓和電流很高時，需要通過門極實現(xiàn)對其的開通或開斷控制，如圖7所示。其中，開關時電壓和電流發(fā)生重疊，容易出現(xiàn)開關損耗，同時電壓與電流變化速度較快，且波形過沖較為明顯，從而使得開關出現(xiàn)噪音。此類開關過程屬于硬開關技術。在這一環(huán)節(jié)中形成損耗與噪音較大。其中開關損耗與開關頻率正相關，電路效率也會下降，而開關噪音將導致電路中的電磁干擾問題較為突出，進入對電子設備正常運行帶來影響，尤其是周邊的電子設備的影響十分明顯。

因此，在本設計過程中，以原有開關電路為基礎，新增電感和電容較小的諧振元件，并形成了輔助換流網絡，開關過程的前后進行諧振，這樣在開關開通之前，電壓已經下降到0，也可以在關斷之前把電流下降到0，從而將噪音和損耗有效降低，從而形成軟開關電路，如圖8所示。

3.3.2 自主均流技術

當前，電源系統(tǒng)的硬件勢必朝著結構模塊化的方向發(fā)展，常見的做法就是采用分布式電源系統(tǒng)，而并非傳統(tǒng)的集中式電源系統(tǒng)，這主要是因為其具有的優(yōu)點較多，如輸出功率可擴展，提高系統(tǒng)的靈活性;同時，每個單元開關頻率也能得到提升，這樣在使得功率密度得以提升的同時，有效降低電源體積與重量，可方便實現(xiàn)冗余設計，提高產品的可靠性，易于維護等諸多優(yōu)點。

在電源模塊并聯(lián)時，不同的模塊之間應采取均流措施，才能確保電源系統(tǒng)的功率得到提升，進而確保不同模塊之間的電流應力與熱應力得到均勻分配，從而有效防止一臺或多臺電源運行在電流極限值（限流）狀態(tài)。這主要是因為每個模塊雖然并聯(lián)，但是在運行時的各自特性不可能相同，當外特性較好時，也就是電壓調整率較小時，此類模塊的負載更大，有時甚至可能過載，而當一些模塊的外特性較差時，就會出現(xiàn)輕載，有的甚至基本上是空載運行。而這勢必導致負載較大模塊的熱應力更大，可靠性就會大大下降。因此需要采取相關均流技術而加以控制。因此，本系統(tǒng)采用最大電流均流法，原理如圖9所示[2]。

4 輸出濾波與輸出雙電源切換

4.1 輸出濾波

輸出濾波電路初步方案采用定制高性能、大功率軍用EMC濾波器，其優(yōu)異的插入損耗參數(shù)以及阻抗匹配所獲得的對高頻噪聲最大反射系數(shù)，能有效確保所有的干擾信號被濾波器吸收而不傳遞，從而保證了整機良好的電磁兼容特性。

4.2 輸出雙電源切換

本直流48 V轉直流650 V電源的主要設計功能是在特殊情況下，市電供電系統(tǒng)三相380 V發(fā)生輸入故障時或三相PFC整流電路發(fā)生故障時，該電源的高品質輸出650 V作為后級高壓模塊逆變環(huán)節(jié)的備用輸入（高壓逆變模塊輸入為650 V，由三相PFC整流部分提供），從而保證整套遠程供電電源系統(tǒng)的運行可靠性以及連續(xù)性。

因此，為了保證直流48 V轉直流650 V電源與三相PFC輸出直流電源的雙電源切換，在直流48 V轉直流650 V電源輸出電路中利用二極管的單向導電性，串接二極管，并設定三相PFC電路輸出電壓高于650 V，從而保證該雙電源供電系統(tǒng)的優(yōu)先級別。

由于三相PFC輸出電壓高于直流48V轉直流650 V電源電壓，且存在串接二極管，所以正常使用情況下二極管反向截止，高壓逆變模塊輸入優(yōu)先采用三相PFC輸出供電;當三相380 V發(fā)生輸入故障時或三相PFC整流電路發(fā)生故障時，由直流48 V轉直流650 V電源作為備用輸入提供能量，原理如圖10所示[3]。

5 結語

綜上所述，文章主要就開關電源48 VDC輸入與蓄電池組48 V輸入切換電路的設計要點進行了分析，提出了DC/DC升壓變換設計要點，以及如何實現(xiàn)輸出濾波與輸出雙電源切換，以促進直流48 V轉直流650 V電源設計水平的提升。

參考文獻

[1] 張東，王一軍.一種兩級式隔離型雙向DC/DC變換器的分析與設計[J].電源學報，2016，14（03）：75-82.

[2] 王同俊，陳剛.直流遠供技術應用探討[J].通信與信息技術，2013（02）：60-63.

[3] 邢瑞云.-48V通信電源設計概論[J].山西焦煤科技，2005（06）：3-5.