用于输入交流400Hz场合的机载高频开关电源解决方案

时间：2020-09-07 15:35:04 开关

400Hz的AC电机用于输入的载波频率的开关电源，其中解

机载高频开关电源进行产品设计专门技术用于数据输入信息交流400Hz的场合，这项研究产品发展主要可以应用于军用雷达、航空航天、舰船、机车以及中国导弹发射等。研制出机载高频开关电源管理产品对电子武器装备系统的国产化，打破传统国际经济封锁，提高我军装备的机动性，高性能都有一个重要的意义。

机载电源的使用网络环境进行比较严重恶劣，必须能够适应宽范围不同温度可以正常管理工作，并能经受冲击、震动、潮湿等应力分析筛选试验，因此研究设计机载电源的可靠性给我们提出了具有更高的要求。

输入电源有两种: 115v / 400hz 中频交流电源和28v 直流电源。 115v / 400hz 电源波动小，对器件的耐压要求较高，而28v 直流电源则不能直接供给器件，必须对电源进行隔离和稳定，才能成为所需的直流电源。重点介绍了采用115v / 400hz 中频交流输入方式研制的开关电源。输出电压270 ~ 380vdc，输出功率不小于3000w，环境温度可达 -40c ~ + 55c，能满足军用级电源的需要。

系统结构和主电路设计

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中频交流电源经输入滤波，通过升压功率因数校正(PFC)电路完成功率因数校正及升压预稳、能量存储，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控制回路实现270～380Vdc可调节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足指标要求，实现升压预稳功能。本部分设计考虑功率因数电路满足0.92的要求，并使DC/DC输入电压适当，使功率因数校正电路不工作太重，故设于Vdc。 330~350

隔离型 dc / dc 变换器具有以下拓扑结构: 正向、反向、全桥、半桥和推挽。反激和正激电路主要用于中小功率电源，不能满足该电源3000w 输出功率的要求。全桥拓扑虽然输出功率大，但结构比较复杂。推挽电路中开关管的电压应力很大，在推挽电路和全桥拓扑中可能出现单向磁饱和，损坏开关管。半桥电路具有自动抗不平衡能力，相对简单，开关数量少，电压、电流应力适中，是一种合理的选择。

DC/DC变换进行电路主要为实现功率变压器结构设计，采用IGBT/MOSFET并联一个组合选择开关信息技术和半桥电路系统平衡内部控制管理技术。经过研究分析方法计算，采用双E65磁芯，初级线圈12匝，次级绕组圈15匝。

关键信息技术进行设计

功率因数校正技术和无源无源无源缓冲电路

具有一个正弦波信号输入输出电流的单相系统输入个功率因数校正控制电路在开关工作电源中的使用问题越来越受到广泛，图2所示为升压功率因数校正和无源无耗缓冲保护电路。

图2 功率进行因数校正和发展新型的无源无耗缓冲系统电路

采用无源无耗缓冲系统电路，元件进行全部可以采用L、C、D等无源器件，既有零电流导通特性，又有零电压信号关断时间特性，比传统的有损耗的缓冲控制电路设计元件少30%。缓冲保护电路主要元件工作包括L1、C1、C2、D1、D2和D3。

主开关SWB，可控制UC2854A，其缓冲电路失控，具有电路简单的特点。其原理是将二极管DB反向恢复的能量和当SWB关闭到C1时存储在C2中的能量转移。当SWB关闭时，L1中的储能向C2充电，并通过D1、D2、D3转移到CB，并放电到CB，利用该电路实现零电压关断和零电流导通，有效地降低了损耗，提高了电路的效率和可靠性。

这条赛道的主要特点是:

开关SWB上最大电压为输出电压VL。

Boost二极管DB上最大可以反向工作电压为VL+VE，VE值由IR、L1、C1及C2的相关值决定。

开关SWB上最大工作电流不断上升增长率由L1和V1决定，并且导通损耗和应力影响很小。

开关SWB上最大工作电压发生率由C2决定，并且可以关断系统功耗和应力影响很小。

在开关周期中，存储在L1和C2中以获得电流和电压上升速率控制的能量最终返回到输出电源，从而确保电路工作无损耗。

Igbt / mosfet 并联组合开关技术

图3所示为IGBT/MOSFET并联组合开关电路及工作波形图。与MOSFET相比，IGBT通态电压很低，电流在关断时很快下降到初始值的5%，但减少到零的时间较长，约1～1.5μs，在硬开关模式下会导致很大的开关损耗。在组合开关中，并联MOSFET在IGBT关断1.5μs后，拖尾电流已减少到接近零时才关断。

图3 IGBT/MOSFET并联一个组合进行开关控制电路及工作波形图

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，一般选取20～40kHz。由于半桥组合开关只需两个开关，总的开关器件的数目少，使可靠性显著提高。
3.半桥电路平衡控制技术

通过控制和调整IGBT/MOSFET栅极驱动的延迟时间，可以实现半桥平衡，避免变压器偏置饱和过电流，破坏开关管。当脉冲更宽时，这是很容易实现的。脉宽很窄(例如。小于0。3μs)当轻或空载时，IGBT/MOSFET延迟已被取消。因此，为了保持其在窄脉冲宽度下的平衡，我们采用了低频振荡器。当脉宽小于0.3μs时，振荡器使PWM发生器间歇工作，保持脉宽不小于0.3μs，保持半桥平衡，使其能无负载正常工作。

由于工作频率低，组合开关的开关损耗非常小，通态损耗也非常小。

图4 半桥电路进行平衡系统控制电路

4.多重影响环路进行控制系统电路

平均电流模式控制系统采用 pi 调节器，需要确定比例系数和零点。调节器比例系数 kp 的计算原理是保证电流调节器输出信号的上升相斜率小于锯齿波斜率，使电流环稳定。零点选择在较低频率范围内与开关频率相对应的角频率的1 / 10 ~ 1 / 20处，以便在开环截止频率处获得更充分的相位裕度。

此外，在PI调节器中加入一个位于开关频率附近的极点，以消除开关过程中产生的噪声对控制电路的干扰。这种PI调节器的结构如图5所示。

图5带滤波功能的 pi 调节器

控制电路的核心是电压电流反馈控制信号的设计。为了在保证系统稳定的前提下提高反应速度，设计了一种基于电压环的多环控制技术。电流回路对负载电流的变化作出响应，并具有限流功能。增加输出电感采样电流的差动放大，并在控制中加入反馈环路。调节器的增益可以通过后置电位器的放大来调节。这样，电源工作在高精度恒压状态，输出动态响应，使电源在负载突变的情况下，没有大的输出电压超调。

5.提高自身散热作用效果，降低热阻

为了减少整机体积，达到合理的功率密度，采用强制风冷。对于风冷散热器来说，风速直接关系到散热效果。因前后通风要求，应考虑：

保证不同风速可以达到企业一定的要求(V= 6m/s)，并考虑利用风压的影响。当风压高度低于传统散热器自然压头损失时，冷却风根本就吹不过去或风速具有很低，达不到有效提高自身散热率的目的。

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。

升压电路电感、主变压器、输出进行滤波以及电感成一排固定在提高散热器上半部，主板固定在汽车散热器下半部;主板上的功率控制器件如功率选择开关管、输出整流管通过使用钢板压条固定在系统散热器上，主板上半部放质低元器件、下半部放置高元器件，风扇可以放置在散热器前中上水平位置并固定资产在前一个面板上，采用中国前进风后出风方式。

军用高频开关电源产品不但要考虑电源本身参数设计，还要考虑电气设计、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。因为任何方面哪怕是最微小的疏忽，都可能导致整个电源的崩溃，所以我们应充分认识到军用高频开关电源产品可靠性设计的重要性。

试验结果

对设计技术参数可以进行分析试验，试验研究结果显示如图6～8所示。