大功率直流稳压电源的设计与分析

大功率直流稳压电源的设计与分析3

田晓波

(信息产业部电子第五十三研究所　锦州　121000)

王文革

(锦州新生开关有限责任公司　锦州　121013)

摘　要　本文主要针对高功率直流稳压电源的电路、电磁兼容、结构、散热等技术进行设计和分析。为研制出各项指标能达到设计要求的直流稳压电源提供参考。关键词　大功率　直流稳压电源　结构设计　散热设计

1　问题的提出

、可靠的先决条件取决于电源。本文论述的是一个功率为1000W 、体积为360mm ×160mm ×207mm 、重量不大于12kg 、输入是交流115V/400Hz 、输出电压是直流27V/30A 、电压调整率≤0.5%、电流调整率≤1%、纹波系数≤1.5%、负载率0～100%的电源。

设计中要想达到和满足上述的所有技术指标,需要考虑如下问题:

1)　电源的体制是线性电源还是开关电源;

2)　元器件的选用问题;

3)　指标的实现问题;4)　结构和散热问题;5)　电磁兼容问题。

本文针对上述问题进行了探讨,并进行了实际设计和测试。以供参考。

2　设计与分析

2.1　电源的电路

此电源要输出直流27V/30A ,首先要把交

流115V/400Hz 电压变成直流,然后把直流电压稳压到所需要的27V 电压。同时要考虑到电压的滤波、整流等。电路可分三个部分:

1)　滤波电路,此电路是把输入电压进行滤波,滤掉除了输入交流以外的其它信号,如高频分量、多次谐波等杂波;

2)　交流电压变换成直流电压即AC -DC 电路,它通过桥或电源模块等方法,把交流115V/400Hz ,转换成直流电压;

3)　由直流转换成要求输出的27V/30A 直流电压,即DC -DC 电路。电路框图见图1:2.1.1　滤波电路

滤波的目的是将沿导线传入或传出设备的干扰减小到一定的程度,使传出设备的干扰不至于超过给定的范围,传入设备的干扰不至于引起设备的误动作。在此输入滤波电路设计中,既要考虑到输入电压为交流电压,电路上有交流地、直流地、壳地等,同时又要考虑存在共态噪声与正态噪声、低频传导噪声与高频传导噪声。此电源是开关电源,开关电源的干扰特点是

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图1　电源电路框图

3　收稿日期:2002-03-10

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5光电对抗与无源干扰 2002年第2期

图3　AC -DC 模块原理框

1)　开关频率会同时以差模和共模的形式

进行干扰;

2)　开关尖峰是由于输出储能电容器的阻抗造成,这些尖峰干扰通过输出线以差模和共模的方式传出电源,并以二次辐射的形式耦合到其它导线或地上,产生共模干扰。

根据以上特点,选择如图2所示的滤波器。此滤波器的特点是:

1)　共模扼流圈L1、L3或L2、L4,分别由两个绕在同一高磁导率磁芯上的两个相同绕组构成,它的结构使差模电流产生的磁场相互抵消。同时还可以以较小的体积获得较大的电感值,并且不用担心由于工作电流导致饱和;

2)　C3和C4用来衰减共模干扰;3)　C1和C2衰减差模干扰电流。同时,在选择滤波器时,以设备的最大电流为准,确保滤波器在最大电流状态下具有良好的性能,否则当干扰恰好在最大工作电流状态下出现时,设备会受到干扰或传导发射超标,此电源根据实际计算,选择指标为15A 以上的滤波器。

滤波电路中还需要加有齐纳二极管V2、压敏电阻Z ,用来减小电源线上的瞬态干扰,它们并联在电路上,在正常信号的电压下呈高阻抗,当有超过它的瞬态干扰出现时,这些器件变为低阻抗,将瞬态电流从被保护电路分流,限制瞬态电压。瞬态抑制二极管V1、V3,对电源输入电压所产生的尖峰、浪涌进行滤波,以及实现瞬态保护等功能。见图2:2.1.2　AC -DC 电路

此电路可采用最普遍的全波整流桥。它的特点是在同样满足参数要求的情况下成本低,体积小,订货周期短。也可以选用模块进行整流,采用模块整流的特点是:

1)　电源模块体积小;2)　采用高频电流开关变换电路,其电路功耗低、热效小、耐高温、可靠性强;

3)　具有过流、过压、过热保护功能,使电源在超标时停止工作,当指标恢复到正常范围,设备继续工作。

4)　电压输出稳定,可靠性强。

它的不足是成本高。这样可根据设计的实际需要决定是否选用AC -DC 电路。下面针对AC -DC 电路,所选用的模块的内部结构进行说明。

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图4　DC-DC电路组成图

该模块内部包括全波整流电路、高频零电流开关升压变换器、输入浪涌电流限制和短路保护电路、控制和监视电路等。输入交流电压经整流后,来供给零电流开关(ZCS)升压变换器。控制监测电路改变高频零电流开关升压变换器,同时使整个模块输出的直流电压高于输入交流电压峰值,迫使零电流开关变换器的输入电流就跟随交流电压波形而变。因此,通过适当的输出电压控制电路,可使升压变换器达到最大值。原理框图见图3:

2.1.3　DC-DC电路

由于此电源要求体积小、功率大、耐高温、纹波系数小、可靠性强。所以在选取DC-DC 器件时,应考虑具有过流、过压、过热保护功能的耐高温的电源模块。

DC-DC电路由六组电源模块组成。每一组有两个模块,一个是功率250W的驱动器,一个是功率250W的倍增器,每一组输出额定电压为5V,可以在4-5V之间用电阻调整得出所需要的电压值,此模块每组需要输出4.5V直流电压,六组串联共输出直流电压27V。功率可达到上千瓦,实现30A的电源输出。见图4:

DC-DC模块包括零电流开关变换器、基准电路、遥测电路、保护电路、输出滤波电路、逻辑控制电路(即G atein、G ateout)等。模块工作频率高达2MHz。

由于此电源DC-DC电路是由多模块组成,保持模块之间电流均衡是该模块的特点。其方法是:

1)　用同步信号控制驱动器和倍增器进行均流。

2)　通过N+1亢余电路,并联同步阵列可均流,构成大功率电源。

2.2　电磁兼容设计

在电磁兼容设计中,为了提高设备的电磁兼容性,分别采取了以下措施:

1)　在滤波电路中有抗电磁干扰滤波器、压敏电阻和瞬态抑制二极管等构成的滤波电路,对电磁兼容起主要作用。

2)　在结构设计上将裸露在外面的分立件、线路板分别屏蔽,设计成封闭的壳体。以增强设备对外部之间的抗干扰能力。

3)　在选件与布线中注意射频辐射、尖峰干扰、谐波等的影响。

4)　由于电源线和信号线都安装在机箱内部,因此,电源线和信号线之间的耦合是不可避免的。为防止上述现象出现,信号线采用屏蔽线等。

5)　另外,为避免高频干扰信号会通过输入线和输出线直接发生耦合,而将滤波器旁路掉的问题,输入线与输出线之间留有一定距离。

2.3　结构设计

由于电源功率高,在工作中产生热量大,在短时间内迅速升温,最高时温度达到90℃以上,直接影响电源正常工作。而且模块具有过热保护功能,当温度升高到一定温度时能导致

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