2022年开关电源设计方案机载高频开关电源设计方案 .docx

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1、精品_精品资料_开关电源设计机载高频开关电源设计机载高频开关电源产品特的用于输入沟通400Hz的场合,这是特意为了满意军用雷达、航空航天、舰船、机车以及导弹 发射等特的用途所设计的.应用户要求,研制出机载高频开 关电源产品对电子武器装备系统的国产化,打破国际封锁, 提高我军装备的机动性,高性能都有重要的意义.机上可供挑选的供电电源有两种输入方式：115V/400Hz 中频沟通电源和 28V直流电源.两种输入方式各有优缺点, 115V/400Hz 电源波动小,需要器件的耐压相对较高.而28V 直流电源却相反,一般不能直接供应应设备部件使用,必需将供电电源进行隔离并稳压成为需要的直流电源才能使用.

2、机载电源的使用环境比较恶劣,必需适应宽范畴温度正常工 作,并能经受冲击、震惊、潮湿等应力挑选试验,因此设计 机载电源的牢靠性给我们提出了更高的要求.下面主要介绍115V/400Hz 中频沟通输入方式所研制的开关电源,它的输出电压 270380Vdc 可以调剂,输出功率不小于 3000W,环境温度可宽至 - 40 +55,完全适应军品级电源的需要.系统构成及主回路设计可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_图 1 所示为整机电路原理框图.它的设计主要通过升压功率因数校正电路及 DC/DC变换电路两部分完成. 115Vac/400Hz中频沟通电源经输入滤波,通过升压功率因数校正PFC电路完

3、胜利率因数校正及升压预稳、能量储备,再通过DC/DC半桥变换、高频整流滤波器、输出滤波电路以及反馈掌握回路实现 270380Vdc 可调剂输出稳压的性能要求.图 1 整机电路原理框图升压功率因数校正电路主要使输入功率因数满意指标要求, 同时实现升压预稳功能.本部分设计兼顾功率因数电路达到0.92 的要求,又使 DC/DC输入电压适当,不致使功率因数校正电路工作负担过重,因此设定在330350Vdc.隔离式 DC/DC变换器电路拓扑结构形式主要有以下几种：正激、反激、全桥、半桥和推挽.反激和正激拓扑主要应用在 中小功率电源中,不适合本电源的3000W输出功率要求.全桥拓扑虽然能输出较大的功率,但

4、结构相对较为复杂.推挽 电路结构中的开关管电压应力很高,并且在推挽和全桥拓扑 中都可能显现单向偏磁饱和,使开关管损坏.而半桥电路因可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_为具有自动抗不平稳才能,而且相对较为简洁,开关管数量较少且电压电流应力都比较适中,故不失为一种合理的选 择.DC/DC变换电路主要为功率变压器设计,采纳IGBT/MOSFET并联组合开关技术和半桥电路平稳掌握技术.经过分析计算,采纳双 E65磁芯,初级线圈 12 匝,次级绕组圈 15 匝.关键技术设计1 功率因数校正技术和无源无耗缓冲电路具有正弦波输入电流的单相输入个功率因数校正电路在开关 电源中的使用越来越广泛,图

5、2 所示为升压功率因数校正和无源无耗缓冲电路.图 2 功率因数校正和新型的无源无耗缓冲电路采纳无源无耗缓冲电路,元件全部采纳L、C、D 等无源器件,既有零电流导通特性,又有零电压关断特性,比传统的可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_有损耗的缓冲电路元件少 30%.缓冲电路元件包括 L1、C1、 C2、D1、D2 和 D3.可用 UC2854A掌握主开关 SW,B 其缓冲电路是不需掌握的,并且具有电路简洁的特点.其原理是将二极管DB反向复原的能量和 SWB关断时储存在 C2中的能量在 SWB导通时转移到 C1中.在 SWB关断时, L1 中的储能向 C2充电,并通过 D1、D2、D3

6、 转移到 CB中,同时也向 CB放电,用这种电路实现了零电压关断和零电流导通,有效的削减损耗,提高了电路的效率和牢靠性.该电路的主要特点是：开关 SWB上最大电压为输出电压 VL.Boost 二极管 DB上最大反向电压为 VL+VE,VE值由 IR、L1、 C1及 C2的相关值打算.开关 SWB上最大电流上升率由 L1 和 V1打算,并且导通损耗和应力很小.开关 SWB上最大电压率由 C2打算,并且关断功耗和应力很小.可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_在开关周期中,为获得电流和电压上升率的掌握而储存在L1 和 C2 中的能量最终又回到输出电源中,这样确保电路真正的无损耗工作.2

7、IGBT/MOSFET并联组合开关技术图 3 所示为 IGBT/MOSFE并T 联组合开关电路及工作波形图.与 MOSFE相T 比, IGBT通态电压很低,电流在关断时很快下降到初始值的 5%,但削减到零的时间较长,约 11.5 s, 在硬开关模式下会导致很大的开关损耗.在组合开关中,并可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_联 MOSFE在T时才关断.IGBT关断 1.5 s 后,拖尾电流已削减到接近零可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_图 3 IGBT/MOSFET并联组合开关电路及工作波形图这种技术因通态损耗很低而使得DC/DC变换器的效率很高.但需工作频率相对较低,

8、一般选取2040kHz.由于半桥组合开关只需两个开关,总的开关器件的数目少,使牢靠性显 著提高.可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_3 半桥电路平稳掌握技术通过掌握和调整 IGBT/MOSFET栅驱动的推迟时间可使半桥平稳,防止变压器偏磁饱和过流,烧毁开关管.这在脉冲较宽大时,很简洁实现.但当轻载或无载时,脉宽很窄 例如小于0.3 s ,此时的 IGBT/MOSFET推迟已取消.因此在窄脉宽 时,为保持其平稳,我们采纳了一个低频振荡器.当脉宽小 于 0.3 s 时,振荡器起振使 PWM发生器间歇工作,保持脉宽不小于 0.3 s,以维护半桥平稳,使其在无载时能正常工作.由于工作频率较

9、低,组合开关的开关损耗很小,通态损耗也很小.图 4 半桥电路平稳掌握电路4 多重环路掌握电路可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_平均电流模式掌握系统采纳 PI 调剂器,需要确定比例系数和零点两个参数.调剂器比例系数KP的运算原就是保证电流调剂器输出信号的上升阶段斜率比锯齿波斜率小,这样电流环 才会稳固.零点挑选在较低的频率范畴内,在开关频率所对 应的角频率的 1/10 1/20 处,以获得在开环截止频率处较充分的相位裕量.另外,在 PI 调剂器中增加一个位于开关频率邻近的极点,用 来排除开关过程中产生的噪声对掌握电路的干扰,这样的PI 调剂器的结构如图 5 所示.图 5 具有滤波功

10、能的 PI 调剂器掌握电路的核心是电压、电流反馈掌握信号的设计.为了保证在系统稳固性的前提下提高反应速度,设计了以电压环为主的多重环路掌握技术.电流环响应负载电流变化,并且有限流功能.设计电路增加了对输出电感电流采样后的差分放大,隔直后加入到反馈环中参加掌握,调剂器增益可通过后级带电位器的放大环节进行调剂.这样电源工作在高精度恒可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_压状态下,输出动态响应,使电源在负载突变的情形下,没有大的输出电压过冲.5 提高散热成效,降低热阻为了减小整机体积,达到合理的功率密度,采纳了强迫风冷方式.对于风冷散热器来说,风速的大小直接关系到散热成效的优劣.由于要求前

11、后通风,在设计时应考虑：保证风速达到肯定的要求 V= 6m/s ,并考虑风压的影响.当风压低于散热器压头缺失时,冷却风根本就吹不过去或风速 很低,达不到提高散热率的目的.由于散热器及翼片间隙同风道与散热器间隙有很大差别,当风压过低时,可以在进风口散热器与风道的间隙间加挡流栅板或喇叭型的进口,强迫风从散热器的翼片间流过.升压电感、主变压器、输出滤波电感成一排固定在散热器上半部,主板固定在散热器下半部.主板上的功率器件如功率开关管、输出整流管通过钢板压条固定在散热器上,主板上半部放质低元器件、下半部放置高元器件,风扇放置在散热器前中上位置并固定在前面板上,采纳前进风后出风方式.军用高频开关电源产品

12、不但要考虑电源本身参数设计,仍要考虑电气设计、电磁兼容设计、热设计、结构设计、安全性设计和三防设计等方面.由于任何方面哪怕是最微小的疏可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_忽,都可能导致整个电源的崩溃,所以我们应充分熟悉到军用高频开关电源产品牢靠性设计的重要性.试验结果对设计参数进行试验,试验结果如图68 所示.图 6 DC/DC初级电压波形 满载图 7 DC/DC次级电压波形 满载可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_图 8 高频电感电流模拟器波形从表 1 可以看出,测试结果符合协议的规定,其中功率因数、效率、电源调整率、负载调整率、输出噪声等参数优于协议要求.可编辑资料 - - - 欢迎下载