高壓開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)方法

1、高壓開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)方法陳 勇 ,賀少軍(中國(guó)工程物理研究院電子工程研究所 ,四川 綿陽(yáng) 62190Vol由四個(gè)整流二極管接成全橋的形式,后送給下一級(jí)濾波器變成直流電壓輸出,600 V32 NoFeb各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足要求 。把1特別是詳細(xì)研究高壓大功率且可操作性不強(qiáng) 。較詳細(xì)地討論了一種設(shè)計(jì)power switchingsupply are very little. The met hods int roduced in t ho se papers are very co mplex wit h poo r feasibilit y. Therefo re ,a simple and fea

2、sible met ho d to design t he 1 000 W switching power supply is discussed in detail. The power進(jìn)行全波整流112010摘 要 :目前討論開(kāi)關(guān)電源的文章較多 ,但系統(tǒng)介紹大功率高壓開(kāi)關(guān)電源的文章 ,變壓器設(shè)計(jì)的資料偏少 。這些資料所介紹的設(shè)計(jì)方法相對(duì)復(fù)雜 ,1 000 W 高壓開(kāi)關(guān)電源的方法 ,該方法簡(jiǎn)便可行 ,設(shè)計(jì)出來(lái)的電源工作穩(wěn)定可靠 ,關(guān)鍵詞 :高壓 ;開(kāi)關(guān)電源 ;變壓器 ;整流中圖分類號(hào) : TM804 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 :A 文章編號(hào) :100821194( 2010) 0120088204Desi

3、gn of 1 000 W High2voltage Switching Po wer SupplyC H EN Yo ng , H E Shaojun(China Academy of Engineering Physics ,Mianyang 621900 ,China)Abstract :There are many papers discussing switching power supply ,while t ho se o n t he high2supply designed wit h t his met hod wo rks stably and reliably ,mee

4、ting t he design requirement .Key words :high2voltage ; switching supply ;t ransfo rmer ;co mmutate0 引言開(kāi)關(guān)電源是一種把交流電變成直流電再逆變成交流電 ,通過(guò)變壓器變成所需的電壓后再逆變成直1 整流濾波部分開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源中輸入部分的工頻整流電路稱為開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的前端整流部分 ,如圖 1 所示 。圖 1流電的電氣設(shè)備 。通過(guò)對(duì)輸出電壓的檢測(cè) ,控制高頻交流電壓的脈寬而達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的 。因此 ,開(kāi)關(guān)電源是一種新型的直流穩(wěn)壓電源 ,它以體積中 ,50 Hz 的工頻電網(wǎng)電壓直接引入 ,220 V

5、 ,然給直流變小 、重量輕 、效率高的特點(diǎn)而著稱 125 。換器提供一個(gè)直流電源 。在開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)過(guò)開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)是一項(xiàng)重要的課題 ,如何設(shè)計(jì)程中 ,一般都選四個(gè)反向耐壓值為的整流二出性能優(yōu)異 、工作可靠的開(kāi)關(guān)電源一直是工程技術(shù)人員探索的問(wèn)題 。目前市場(chǎng)上介紹開(kāi)關(guān)電源的文章較多 ,但系統(tǒng)介紹大功率高壓開(kāi)關(guān)電源的文章 ,特別是詳細(xì)介紹高壓大功率變壓器設(shè)計(jì)的資料偏少 。從組成結(jié)構(gòu)上來(lái)看 ,開(kāi)關(guān)電源主要包括 : 前端整流濾波 、橋式變換 、功率變壓器 、后端整流濾波以及取樣控制電路等 125 。本文將以 1 000 W 電源設(shè)計(jì)為例 ,介紹一種開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)方法 。3收稿日期 :2009208

6、211 修回日期 :2009212203極管 ,整流二極管的導(dǎo)通電流ID要根據(jù)所設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的輸出功率和轉(zhuǎn)換效率要求而決定 ,可由下式來(lái)計(jì)算 :ID=PO(1)2202通常在考慮開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的轉(zhuǎn)換效率時(shí) ,均要留有一定的裕量 。一般取 = 0. 75 代入式 (1)就可以得到一次整流電路中的整流二極管的導(dǎo)通電流 ID作者簡(jiǎn)介 :陳勇 (1977 - ) ,男 ,湖北省荊門人 ,碩士 ,研究方向 :電子引信和功率電子技術(shù)研究 。E2mail :cy972032 126.co m。的計(jì)算公式 :陳 勇等 :高壓開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)方法相繼導(dǎo)通閉合 ,實(shí)現(xiàn)由直流向交流的轉(zhuǎn)換 。89ID=PO165 2

7、=PO231=1 000231=4. 33 A(2)3 高頻變壓器高頻變壓器是電源的重要組成部分 ,其性能的好壞直接關(guān)系到整個(gè)電源的綜合性能 。高頻變壓器的主要作用在于進(jìn)行電壓升降和隔離輸入電壓干擾 ,其頻率大小隨功率開(kāi)關(guān)頻率大小而定 。高頻變壓器的設(shè)計(jì) :圖 1 前端整流電路Fig. 1 The rectifier circuit of fo rmal po rt前端濾波部分 :如圖 1 所示 ,前端濾波部分即為前端整流部分后面的 L C 濾波電路 。它的主要功能是將前端整流部分整流后的波動(dòng)電壓濾波成符合要求的直流電壓 。根據(jù)計(jì)算 ,濾波后的直流電壓大約1) 磁芯的選擇 :根據(jù)變壓器的功率和

8、頻率 ,我們選用鐵氧體 EE110 型磁芯 。該磁芯具體參數(shù)為 :Ae= 12 . 25 cm2, Aw= 16cm2, A P= Ae Aw= 196 cm42) 繞組匝數(shù)的計(jì)算 :V 1在 200 V 左右 。根據(jù)N P=Kff s Bw Ae(3)后端整流部分 : 后端整流電路是出現(xiàn)在電源變壓器次級(jí)回路中的整流電路 。后端整流電路一般都為高頻整流電路 ,整流二極管常采用高頻快速開(kāi)關(guān)二極管 ,也就是肖特基二極管 。這類二極管的特點(diǎn)是開(kāi)關(guān)速度快 ,導(dǎo)通電阻小和截至?xí)r反向漏電流小 。式中 ,f s為開(kāi)關(guān)工作頻率 ( Hz) ; B w為工作磁通密度( T) ; Ae為磁芯有效面積 ( m2)

9、; Kf為波形系數(shù) ,有效值與平均值之比 ,正弦波時(shí)為 4 . 44 ,方波時(shí)為 4。原邊匝數(shù)N P= (300 ×104) / (4 ×35 ×103×0.2 ×12. 25) = 8. 7 匝 ,取整匝N P= 9 匝 。原邊電流1 ×1032 橋式變換IP=POVin=300×0. 9=3.7 A(4)3) 副邊匝數(shù)N S=NP V S=9 ×5 000匝,橋式變換分為半橋式變換和全橋式變換 ,半橋式變換適用于較低功率 (小于 500 W) 電源 ,而全橋取整為N S= 150 匝 。V P300=150式變

10、換適用于高功率 (大于 500 W) 電源 。如圖 2 所示為全橋式變換的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) ,其主要由 4 只 I G24) 原邊繞組裸線面積 AXP=IPJ×,式中 ,B T 功率模塊構(gòu)成 ,4 只 I GB T 模塊分兩組相繼導(dǎo)通J =PT104(5)閉合 ,從而來(lái)控制高頻變壓器的導(dǎo)通與閉合 。K0Kff s Bw A P由于二次整流使用橋式整流 ,則PT= PO(1 +11) =1 000×(1 +0. 9) =2 111 W(6)所以電流密度圖 2 全橋式變換電路結(jié)構(gòu)Fig. 2 The topolo gical st ruct ure of f ull2bridge

11、circuit2 111 ×104J =4×0. 4 ×35×0. 2 ×196 ×103=從而原邊繞組裸線面積AXP=IP3. 79.6 A/ cm2(7)全橋式變換電路工作方式為 :在驅(qū)動(dòng)控制電路12 J=12 ×9. 6=0. 032 cm2(采用 12 線并繞)(8)的控制下 ,4 只 I GB T 模塊分兩組 (1 、3 管和 2 、4 管)查導(dǎo)線規(guī)格表得最近線號(hào) : A W G # 11 , A XS=90。探 測(cè) 與 控 制 學(xué) 報(bào)0. 041 68 cm2,cm= 41 . 374 驅(qū)動(dòng)控制電路同理副邊繞組裸

12、線面積 :A XS=IS=0. 22J9. 6=0. 020 8 cm(9)控制電路的主要功能是把輸出端的不穩(wěn)定電壓查導(dǎo)線規(guī)格表得最近線號(hào) : A W G # 13 , A XS=。0. 026 26 cm2,cm= 65. 645) 變壓器骨架的設(shè)計(jì) :根據(jù)磁芯的截面形狀 ,采用方形結(jié)構(gòu) ,骨架上刻槽 ,材料采用酚醛玻璃布棒 。檢測(cè)出來(lái)并放大后送到調(diào)制中 ,通過(guò)調(diào)制電路調(diào)節(jié)脈沖寬度或頻率來(lái)達(dá)到穩(wěn)壓的目的 。整個(gè)控制電路是一個(gè)自動(dòng)控制的反饋閉環(huán)回路 ,包括取樣 、比較 、調(diào)制器等電路 。由 U C1875 組成的全橋電路的控制電路如圖 3 所示 。圖 3 諧振變換器的控制電路圖Fig. 3 T

13、he co nt rolling circuit of reso nato r t ransfo rming在 U C1875 的 16 腳 (頻率設(shè)定端) 接 80 k 電阻和 470 p F 的電容 ,把頻率設(shè)置為 35 k Hz ;在電壓反饋環(huán)節(jié)中 ,把高壓采樣電壓經(jīng)過(guò)電位器R 送到U C1875 的誤差放大器反相端 ( 3 腳) ,同相端使用U C1875 芯片內(nèi)的固定電壓 2 . 5 V ;為了保護(hù)高頻高壓變壓器和負(fù)載的安全 ,利用電流互感器檢測(cè)變壓器初級(jí)電流 ,橋式整流電路把檢測(cè)到的信號(hào)整流后經(jīng)二極管引到 U C1875 的電流檢測(cè)端 。當(dāng)初級(jí)電流過(guò)流時(shí) ,檢測(cè)到的電流信號(hào)超過(guò) 2

14、. 5 V , U C1875 的輸出全部關(guān)斷 。由于 主 功 率 開(kāi) 關(guān) 管 的 激 勵(lì) 電 流 較 大 , 單 靠U C1875 本身的輸出功率不能驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管穩(wěn)定的工作 ,需要增加外圍分立元件來(lái)增大驅(qū)動(dòng)電流 。驅(qū)動(dòng)示意如圖 4 。圖 4 全橋變換器的驅(qū)動(dòng)電路圖Fig. 4 The driving circuit fo r f ull2bridge co nverter陳 勇等 :高壓開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)方法915 高壓電源試驗(yàn)及測(cè)試波形高壓電源的各部分設(shè)計(jì)出來(lái)以后 ,我們進(jìn)行了聯(lián)試 ,對(duì)各組件關(guān)鍵部分 (包括功率開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路 ,主變壓器初級(jí) ,主變壓器次級(jí)整流電路) 進(jìn)行了測(cè)試 ,各測(cè)試波形如

15、圖 5 所示 。1)功率開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)波形如圖 5 (a) 和圖 5 ( b) 所示分別為反相驅(qū)動(dòng)波形和同相驅(qū)動(dòng)波形 。圖 5 功率開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)波形Fig. 5 The wavefo rm of power switching t ube從圖 5 (a) 中我們可以看出 :反相驅(qū)動(dòng)中的兩個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)相位相差 180°(占空比約為 40 %) ,這就保證了全橋上的四只功率開(kāi)關(guān)管其中兩只 (1 、3 管) 導(dǎo)通時(shí)另外兩只 (2 、4 管) 一定閉合 ,而當(dāng)其中兩只 (1 、3 管) 閉合時(shí)另外兩只 (2 、4 管) 一定導(dǎo)通 。從圖 5 ( b) 中我們可以看出 :同相驅(qū)動(dòng)中的兩個(gè)信號(hào)相位幾乎保

16、持同步 ,這就保證了同路的兩只 (1 、3 管或 2 、4 管) 能夠同時(shí)導(dǎo)通和閉合 。2) 變壓器初級(jí)波形如圖 6 所示為變壓器初級(jí)波形 。我們可以看出 :變壓器初級(jí)波形為一頻率約為 33 k H Z ,幅度約為 220 V 的方波信號(hào) 。波形不是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的方波信號(hào) ,帶有一些毛刺和尖峰 ,這是由于輸入的交流信號(hào)經(jīng)過(guò)整流濾波后并不是很光滑而是存在毛刺和尖峰引起的 。若我們對(duì)一次濾波電路進(jìn)行改進(jìn) ,波形效果將會(huì)更好 。圖 6 變壓器初級(jí)波形Fig. 6 The p rimary wavefo rm of t ransfo rmer3)直流高壓輸出波形變壓器次級(jí)輸出后 ,經(jīng)過(guò)二次整流濾波 ,將得

17、到一個(gè)直流高壓 ,如圖 7 所示為直流高壓輸出波形 。圖 7 輸出高壓波形Fig. 7 The wavefo rm of t he high2voltage o utp ut從圖 7 中可知 :輸出直流高壓幅度約為 5 kV 。由于電路所接負(fù)載為 25 k 的功率電阻 ,我們可以計(jì)算得出電路最后的輸出功率 :PO= V2/ R = (5 ×103)2/ (25×103)= 1 000 W從我們所測(cè)到的數(shù)據(jù)計(jì)算可以得出 ,電路的輸入總功率Pin= U I = 220 V×5 A = 1 100 W電路的總效率則為 := PO /Pin= 1 000/ 1 100=

18、91 %6 結(jié)論本文較詳細(xì)地討論了一種 1 000 W 開(kāi)關(guān)電源的(下轉(zhuǎn)第 96 頁(yè))96圖 6 J = 6 , P = 100 的落點(diǎn)誤差探 測(cè) 與 控 制 學(xué) 報(bào)的大樣本空間中的每一種樣本進(jìn)行 100 次彈道仿真 ,統(tǒng)計(jì)每種樣本的系統(tǒng) CEP ,從而選擇最優(yōu)沖推器數(shù)量與沖量配置 。仿真結(jié)果表明 : 在沖推器數(shù)量J = 6 、推沖沖量P = 120 N s 的配置情況下 ,脈沖末修彈藥具有最優(yōu)的 CEP 。更為重要的是 ,本文通過(guò)仿真得到?jīng)_推器數(shù)量 、推沖沖量大小與系統(tǒng) CEP所對(duì)應(yīng)的仿真曲線 ,對(duì)實(shí)際工作中根據(jù)所期望的CEP 精度選擇沖推器推沖沖量具有重要的參考價(jià)值 ,有利于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

19、 。Fig. 6 The erro r of level point when J = 6 , P = 100圖 7 J = 8 , P = 100 的落點(diǎn)誤差Fig. 7 The erro r of level point when J = 8 , P = 100通過(guò)以上的仿真驗(yàn)證可以看出 :優(yōu)化后的沖推器數(shù)量和推沖沖量能夠?qū)崿F(xiàn)更高的系統(tǒng)精度 ,沖推器的參數(shù)配置在滿足較高的系統(tǒng)精度和考慮制造成本的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化 。5 結(jié)論本文提出了基于蒙特2卡洛法的沖推器數(shù)量與沖量?jī)?yōu)化方法 ,該方法針對(duì)沖推器數(shù)量和沖量配置(上接第 91 頁(yè))設(shè)計(jì)方法 。試驗(yàn)表明 :該方法簡(jiǎn)便可行 ,設(shè)計(jì)出來(lái)的電源工作穩(wěn)定

20、可靠 ,各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足要求 。該方法的不足在于 :隨著對(duì)開(kāi)關(guān)電源功率的不斷提高(比如提高到 10 k W 以上) ,開(kāi)關(guān)管損耗也越來(lái)越大 ,這是我們必須要考慮的 。行業(yè)內(nèi)流行的ZCS2ZV S 諧振驅(qū)動(dòng)電路為解決這一難題提供了基礎(chǔ) ,也必將成為以后開(kāi)關(guān)電源研究領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn) 。參 考 文 獻(xiàn) :參 考 文 獻(xiàn) : 1 姚文進(jìn) ,王曉鳴 ,高旭東 ,等.彈道修正彈脈沖修正機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)易控制方法J . 彈道學(xué)報(bào) ,2007 ,19 (3) :19222.YAO Wenjin , WAN G Xiao ming , GAO Xudo ng , et al. ASimple Co nt rol Met hod fo r Imp ulse Co rrectio n Device inTrajecto ry Co rrectio n Projectil J . Jo urnal of Ballistics ,2007 ,19 (3) :19222. 2 孟新宇 ,王曉鳴 ,王清. 6 自由度修正彈道脈沖推力仿真研究J . 系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào) ,2006 ,18 (9) :2 65722 660.M EN G Xinyu , WAN G Xiao ming , FAN G Qing. Simula2tio n of