新型模塊式高頻高壓大功率開關(guān)電源的設(shè)計(jì)

1、新型模塊式高頻高壓大功率開關(guān)電源的設(shè)計(jì)模塊PF1000A-360 和IPM-4M的應(yīng)用  魯思慧本文介紹PF1000A-360型AC/DC功率變換模塊和IPM-4M型全橋式DC/AC高頻大功率變換模塊組合設(shè)計(jì)出新型模塊式高頻(22-25KHZ高壓(100V-120V大功率1000W開關(guān)電源。又闡明這開關(guān)電源設(shè)計(jì)方法和工作原理及模塊特點(diǎn)。1、問題的引出1.1電力電子技術(shù)的發(fā)展在電力電子技術(shù)中，開關(guān)電源占有重要地位，而現(xiàn)代電力電子技術(shù)的繁榮與開關(guān)電源（特別是高頻開關(guān)電源）的發(fā)展緊密聯(lián)系在一起，則高頻化是現(xiàn)代電力電子技術(shù)焦點(diǎn)之一。但現(xiàn)代高頻開關(guān)電源技術(shù)的進(jìn)步得力于新理論、新技術(shù)、新器件、新

2、材料的支持。其應(yīng)用空間迅速擴(kuò)展，除了計(jì)算機(jī)、電機(jī)變頻控制、電悍、電鍍、電感加熱、超聲波加工（清洗）等所用的變流設(shè)備在原有基礎(chǔ)上升級(jí)換代外，熒光燈和新型電光源的鎮(zhèn)流器，現(xiàn)代辦公設(shè)備、通訊裝置、運(yùn)載工具、移動(dòng)軍事裝置、航空、航天、航海裝置等，都開始將注意力轉(zhuǎn)向以高頻變換為代表的現(xiàn)代電力電子技術(shù)，許多新的應(yīng)用領(lǐng)域中其熱點(diǎn)也陸續(xù)發(fā)展并選中高頻開關(guān)電源(DC/AC。1.2市場(chǎng)的需要在上述這些應(yīng)用領(lǐng)域中很重要的是要求高可靠的高頻高壓大功率的開關(guān)電源。根據(jù)現(xiàn)代電力電子技術(shù)關(guān)于高頻電源電路應(yīng)集成化、智能化及模塊化的又一特點(diǎn)，縱觀目前市場(chǎng)，由于國內(nèi)在此方面起步較晚，因而具備這一特點(diǎn)的高可靠高頻大功率開關(guān)電源還處

3、于開發(fā)研制(包括國外廠商在內(nèi)之中，即使有,也只是AC_DC或DC_DC的±48v、±24v等常用通訊用的開關(guān)電源。面對(duì)這新的桃戰(zhàn)和機(jī)遇，我們采用了日本聯(lián)美蘭達(dá)（NEMIC-LAMBDA）公司產(chǎn)的PF1000A-360型AC/DC功率變換模塊和IPM-4M型全橋式DC/AC高頻大功率變換模塊并將其前后級(jí)相連又與高頻大功率脈沖變壓器T等一起組合而成新型模塊式高頻(22-25KHZ 高壓(100V-120V大功率（1000W）開關(guān)電源, 并作為信號(hào)源(或稱超聲波發(fā)生器與換能器匹配組合成高聲高強(qiáng)度超聲波管道清洗機(jī)。 值此，該新型高頻高壓大功率開關(guān)電源設(shè)計(jì)方案作一分析介紹。2、設(shè)計(jì)思

4、想對(duì)高頻高壓大功率開關(guān)電源而言，其程式應(yīng)該由前級(jí)AC-DC(市電交流輸入220v變換成直流高壓 和后級(jí)DC-AC(直流高壓逆變成高頻高壓 兩大主要部分組成。按目前常規(guī)的設(shè)計(jì)，前級(jí)AC-DC往往采用市電220v交流輸入經(jīng)整流濾波；而后級(jí)采用電源管理IC（電源控制芯片）和全橋大功率管(MOSFTT管或IGBT管 及脈沖大功率變壓器一起組成的零電壓開通、關(guān)斷的諧振電路（ZVS）拓?fù)浞绞絹韺?shí)現(xiàn)DC-AC，見圖1所示。2.1這種分立組合式的設(shè)計(jì)程式對(duì)高頻大功率電力電子技術(shù)來說有較大缺陷 首先分析后級(jí)DC-AC。雖然電源管理器(控制芯片IC功能很強(qiáng)，但由于仍屬分立組合，故制作調(diào)試煩瑣，特別是與大

5、功率管連接的功率驅(qū)動(dòng)部分往往都是小型高頻變壓器與驅(qū)動(dòng)三極管的合成，所以在負(fù)載匹配上經(jīng)常出現(xiàn)由于連線分布電容和電感所形成的尖峰脈沖將擊穿或燒毀；再看前級(jí)AC-DC，進(jìn)行AC-DC, 是將輸入交流的220V市電變換成直流高壓(320V-350V的大功率變換，若是采用一的般的橋式整流加濾波，則在交流電源一個(gè)周期內(nèi)，其整個(gè)開關(guān)電源只有很短時(shí)間從交流電源吸取電流，輸入脈沖電流的峰值很大，它含有非常高的諧波分量（三次諧波尤為突出），由于只有輸入電流的基波分量才能產(chǎn)生有功功率，因此開功率因素很低，同時(shí)，諧波電流還會(huì)嚴(yán)重污染電網(wǎng)，并干擾其它設(shè)備。2、模塊化技術(shù)的應(yīng)用方案是克服上述缺陷的最有效設(shè)計(jì)3.1選用合適

6、功率變換模塊電路前級(jí)AC-DC大功率變換為了提高功率因素，限制電流畸變和諧波，必須必須采用功率因素校正（Power Factor Correction, 簡稱PFC）新技術(shù)，即具有諧波和功率因素校正及各種過壓、過流等保護(hù)功能的功率變換模塊電路。據(jù)此，采用了日本NEMIC-LAMBDA公司產(chǎn)的PF-1000要-360型AC-DC大功率變換模塊，將(AC交流輸入220v成直流(DC360v. 其PF-1000A-360型AC-DC變換模塊內(nèi)部框圖，見圖2所示。交流輸入220v加到PF功率變換模塊的輸入引腳AC(L火線和AC(N零線，經(jīng)功率因素和諧波校正后, 從PF模塊的引腳+U0和-Uo輸出。PF

7、-1000A-360型AC-DC大功率變換模* 模塊PF-1000A-360型AC-DC變換模塊技術(shù)指標(biāo)：其輸入電壓為交流170V265V，而輸出電壓為直流360V; 輸出為直流電流2.8A-4.2A;輸出功率為1008W-1512W；典型浪涌電流60A；最小功率因素為95%；輸出電壓精度為±2%；* 模塊的特點(diǎn): 可實(shí)現(xiàn)功率因素和諧波校正，效率高達(dá)95%以上。帶有過壓保護(hù)、過熱保護(hù)和輸入浪涌保護(hù)等保護(hù)電路。模塊內(nèi)部將功率電路和控制電路集合在一起，使用起來非常方便。* PF-1000A-360型引腳功能:IOG-升壓變換器工作監(jiān)視引腳。正常工作時(shí)，IOG端為低電平，若IOG端為高電平

8、，表示該模塊出故障。SG-信號(hào)地，在模塊內(nèi)部與負(fù)輸出引腳-Uo相連。ENA-電源“接通” 監(jiān)視引腳, 用于監(jiān)視PF模塊輸出電壓, 當(dāng)PF模塊輸出電壓處于其正常電平(360VDC時(shí)為低電平。AUX-輔助電源輸出引腳，在最大輸出電流為10MA時(shí)，輸出電壓范圍為12V20V. PC-并聯(lián)工作控制引腳,只要直接將該模塊PC引腳與另一模塊的PC引腳相連，則兩個(gè)模塊就可并聯(lián)工作，最多允許五個(gè)同功率模塊并聯(lián)。R1-外接浪涌限流電阻，用它可以限制電源剛接通時(shí)的浪涌電流，若不接，則模塊不應(yīng)正常工作, 實(shí)際上R1(4.2/2W應(yīng)與F3溫度保險(xiǎn)絲(250V 2A 130 相串接而成(見圖4所示。外形尺寸（長*寬*厚

9、）為：146mm*86mm*125.mm模塊使用時(shí)應(yīng)按裝在散熱板上。3.2后級(jí)DC-AC的設(shè)計(jì)后級(jí)DC-AC的設(shè)計(jì),是采用IPM-4M全橋式DC-AC高頻大功率變換模塊，該(DC-ACIPM4M 模塊(見圖3所示, 應(yīng)用美國IR公司的功率器件和貼片工藝生產(chǎn)。用戶可以簡單方便地直接利用它或其組合設(shè)計(jì)制作、成各類高頻大功率開關(guān)電源。那為什么后級(jí)DC-AC要選用IPM-4M全橋式DC-AC高頻大功率變換模塊？通過對(duì)該模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析就一目了然，從圖3中可看到：*具有功能較強(qiáng)的電源管理器電路（電源控制芯片），即電流型PWM及輔助保護(hù)電路：所謂電流型即在比較器的輸入端直接用感應(yīng)到的輸出電流信號(hào)與誤差放大

10、器進(jìn)行比較，來控制輸出的峰值電流跟隨誤差電壓變化。這種控制方式可以改善整個(gè)開關(guān)電源電壓和電流的調(diào)整率，改善整個(gè)系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)。電流型PWM 還具有重選脈沖抑制電路，消除在一種輸出里出現(xiàn)兩個(gè)連續(xù)脈沖的可能性。這對(duì)于半橋電路或全橋電路組成的開關(guān)電源能否可靠工作是極為重要的。* 內(nèi)含IC驅(qū)動(dòng)電路代替脈沖變壓器隔離：在半橋電路或全橋電路中高端和低端的驅(qū)動(dòng)器是不供地的，一般采用脈沖變壓器隔離。當(dāng)頻率在數(shù)Hz到數(shù)百KHz范圍內(nèi)變化時(shí)，普通的脈沖變壓器是無法勝任的。而采用IC驅(qū)動(dòng)電路就不存在上述問題，它的固有死區(qū)能防止產(chǎn)生直通信號(hào)，它的圖騰柱電路能吸收橋電路的“米勒效應(yīng)”。* 采用全橋DC-AC變換器：采用

11、性能優(yōu)良的MOSFET或IGBT，在公共接地點(diǎn)上伴有0.1的電流取樣電阻，它能感應(yīng)到內(nèi)部任一橋路或任一橋路的外部過流、短路，將檢測(cè)信號(hào)送往保護(hù)輔助電路進(jìn)行判斷調(diào)整或極限保護(hù)。并有4×1500pf電容，輸出串接1mH電感可成為零電壓開通、關(guān)斷的諧振電路(ZVS。* 應(yīng)用P1電流檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)恒流控制： 將流過第P1腳的電流感應(yīng)檢波取樣送至第9腳，經(jīng)過調(diào)整送至第8腳可進(jìn)行恒流控制。* 具有輔助電源供電流型PWM及輔助保護(hù)電路正常工作：由啟動(dòng)電源和內(nèi)反饋電源組成，它要求電壓在20-500V范圍內(nèi)能正常工作(一般情況下在交流220V整流后350V-360V直流電壓下工作。由其模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析所知

12、，它大大減少或克服了后級(jí)(DC-AC分立組合所帶來的制作調(diào)試麻煩和大功率管被擊穿或燒毀等弊病。只需方便的使用模塊的引腳，就可實(shí)現(xiàn)功能DC-AC。為便于應(yīng)用，值此將模塊特點(diǎn)作一介紹：IPM-4M全橋式DC-AC高頻大功率變換模塊特點(diǎn)（見圖3所示）。* 模塊DC/AC變換方式*全橋式功率輸出，內(nèi)裝4只MOSFET大功率三極管*工作頻率可10Hz-150KHz調(diào)節(jié)*輸出電壓穩(wěn)定可調(diào)，改變輸出脈寬值 *適應(yīng)工作電壓范圍寬:20v-500v *模塊工作電流0-20A*可作為驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行大功率擴(kuò)展 *外形尺寸（長寬厚）為：115mm*66mm*23mm. * 模塊使用時(shí)應(yīng)按裝在散熱板上IPM-4M模塊輸出引

13、腳使用說明：*模塊左下角圓點(diǎn)為順序腳P1為第1腳*P1、DC+正電源輸入：可在20V-500V電壓范圍內(nèi)使用*P2、AC功率脈沖寬度調(diào)制波輸出：波形極性與P3相反*P3、AC功率脈沖寬度調(diào)制波輸出：波形極性與P2相反*P4、DC-負(fù)電源輸入（或地端）*P5、UHO全橋脈沖電流取樣輸出：當(dāng)內(nèi)接取樣電阻0.1時(shí)動(dòng)作電流為4A時(shí),P4和P5之間每并接一只0.1電阻，可使最大工作電流增加4A，注意：視在功率不應(yīng)超過1200VA(P1點(diǎn)電壓乘以流過P1電流*P6、RT頻率調(diào)整：此腳懸空時(shí)，P2、P3輸出標(biāo)稱頻率(各模塊均有標(biāo)注，本介紹的模塊為22KHz。當(dāng)P6和P4之間接入100K精密電位器時(shí)，改變阻值

14、可使在標(biāo)注頻率f在0150KHz范圍內(nèi)變化。*P7、V0光隔離反饋脈寬調(diào)制地電位。*P8、Vin光隔離反饋脈寬調(diào)制信號(hào)輸入：當(dāng)反饋信號(hào)大于2.5V時(shí),P2、P3輸出脈沖寬度減小，使反饋信號(hào)平衡在2.5V*P9、P1, 電流檢測(cè)信號(hào)隔離輸出：在P7、P8、P9之間接微調(diào)電阻（P8接電阻抽頭），調(diào)整它可改變P2、P3輸出或做電流整定。不用時(shí)此腳懸空。*模塊使用時(shí)應(yīng)按裝在散熱板上。由于DC/AC模塊應(yīng)用領(lǐng)域很多，但大多數(shù)都使用到了高頻大功率變壓器，現(xiàn)提供設(shè)計(jì)公式和例子。E=U1為變壓器初級(jí)直流電壓 N1為初級(jí)匝數(shù)； E=U1為加在變壓器初級(jí)的最高電壓； f變壓器的工作頻

15、率； S磁芯的有效面積； 4.44為系數(shù)(對(duì)正弦波4.44或4(對(duì)于矩形波-4； 4、模塊式高頻(22-25KHZ高壓(100V-120V大功率（1000W）高頻開關(guān)電源的設(shè)計(jì)方案 4.1技術(shù)要求： 輸入電壓：交流220v 輸出脈沖電壓：幅值為100v-120v、頻率f為(22-25Khz±1%，其占空比D為0.4-0.5為可調(diào)。 輸出功率:為1000W 輸出高頻大電流可采用LED數(shù)字顯示 工作頻率f可采用LED數(shù)字顯示 脈沖輸出電壓通過LC諧振電路應(yīng)在超聲波換能器二端獲得高頻(22-

16、25KHz高壓的正弦波 4.2該高頻高壓大功率開關(guān)電源設(shè)計(jì)電原理框圖 見圖4所示，具體介紹分析如下:從圖4可看出該開關(guān)電源由前級(jí)IC1的PF1000A-360型AC/DC大功率變換模塊和后級(jí)IC2的DC/AC IPM4M 模塊相連并與高頻大功率脈沖變壓器T等三大部分一起組合而成, 即成為超聲波管道清洗機(jī)的信號(hào)源（超聲波發(fā)生器）。具體介紹如下:                    模塊式

17、高頻高壓大功率開關(guān)電源的工作調(diào)試過程                    合上進(jìn)線交流電源220V后，當(dāng)IC1的(AC/DCPF-1000A-360型變換模塊輸出電壓為直流360V并加于IPM-4M(DC/AC 模塊IC2的P1、P4引腳上時(shí)，則輸出脈沖變壓器(功率應(yīng)大于1200WT的初級(jí)二端P2與P3上(接自IPM-4M模塊全橋型功率管對(duì)角線端將并獲得360V高頻(2225KHz脈沖電壓。 &

18、#160;                  脈沖輸出電壓取決于大功率脈沖變壓器T次級(jí)N2端不同的匝數(shù),可獲得的幅值為100v-120v的脈沖電壓,見圖4右上角所示。                    輸出電壓工作頻率f：為(22-25

19、Khz±1% 其占空比D為0.4-0.5為可調(diào)                    IC2的P2、P3引腳上有脈沖波形輸送,調(diào)整W3便可看到脈寬變化。                    當(dāng)K1、K2在斷開

20、位置，頻率計(jì)顯示模塊標(biāo)稱頻率22KHz。當(dāng)合K1上時(shí)，減少W1阻值，頻率將向高端變化。當(dāng)K2合上時(shí)，增加W1阻值，頻率將向低端變化。根據(jù)需要來決定使用參數(shù)。                    調(diào)整W3，可改變穩(wěn)定的輸出電壓的幅值。