高壓開關(guān)電源的設(shè)計方法

1、高壓開關(guān)電源的設(shè)計方法陳 勇 ,賀少軍(中國工程物理研究院電子工程研究所 ,四川 綿陽 62190Vol由四個整流二極管接成全橋的形式,后送給下一級濾波器變成直流電壓輸出,600 V32 NoFeb各項性能指標均滿足要求 。把1特別是詳細研究高壓大功率且可操作性不強 。較詳細地討論了一種設(shè)計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進行全波整流112010摘 要 :目前討論開關(guān)電源的文章較多 ,但系統(tǒng)介紹大功率高壓開關(guān)電源的文章 ,變壓器設(shè)計的資料偏少 。這些資料所介紹的設(shè)計方法相對復雜 ,1 000 W 高壓開關(guān)電源的方法 ,該方法簡便可行 ,設(shè)計出來的電源工作穩(wěn)定可靠 ,關(guān)鍵詞 :高壓 ;開關(guān)電源 ;變壓器 ;整流中圖分類號 : TM804 文獻標志碼 :A 文章編號 :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 ,通過變壓器變成所需的電壓后再逆變成直1 整流濾波部分開關(guān)穩(wěn)壓電源中輸入部分的工頻整流電路稱為開關(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 。通過對輸出電壓的檢測 ,控制高頻交流電壓的脈寬而達到穩(wěn)定輸出電壓的目的 。因此 ,開關(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 、效率高的特點而著稱 125 。換器提供一個直流電源 。在開關(guān)穩(wěn)壓電源的設(shè)計過開關(guān)電源的設(shè)計是一項重要的課題 ,如何設(shè)計程中 ,一般都選四個反向耐壓值為的整流二出性能優(yōu)異 、工作可靠的開關(guān)電源一直是工程技術(shù)人員探索的問題 。目前市場上介紹開關(guān)電源的文章較多 ,但系統(tǒng)介紹大功率高壓開關(guān)電源的文章 ,特別是詳細介紹高壓大功率變壓器設(shè)計的資料偏少 。從組成結(jié)構(gòu)上來看 ,開關(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)計為例 ,介紹一種開關(guān)電源的設(shè)計方法 。3收稿日期 :2009208

6、211 修回日期 :2009212203極管 ,整流二極管的導通電流ID要根據(jù)所設(shè)計開關(guān)穩(wěn)壓電源的輸出功率和轉(zhuǎn)換效率要求而決定 ,可由下式來計算 :ID=PO(1)2202通常在考慮開關(guān)穩(wěn)壓電源的轉(zhuǎn)換效率時 ,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通電流 ID作者簡介 :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。的計算公式 :陳 勇等 :高壓開關(guān)電源的設(shè)計方法相繼導通閉合 ,實現(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)系到整個電源的綜合性能 。高頻變壓器的主要作用在于進行電壓升降和隔離輸入電壓干擾 ,其頻率大小隨功率開關(guān)頻率大小而定 。高頻變壓器的設(shè)計 :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電壓濾波成符合要求的直流電壓 。根據(jù)計算 ,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關(guān)二極管 ,也就是肖特基二極管 。這類二極管的特點是開關(guān)速度快 ,導通電阻小和截至時反向漏電流小 。式中 ,f s為開關(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 ,正弦波時為 4 . 44 ,方波時為 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撲結(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 模塊分兩組相繼導通J =PT104(5)閉合 ,從而來控制高頻變壓器的導通與閉合 。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)查導線規(guī)格表得最近線號 : A W G # 11 , A XS=90。探 測 與 控 制 學 報0. 041 68 cm2,cm= 41 . 374 驅(qū)動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)定電壓查導線規(guī)格表得最近線號 : A W G # 13 , A XS=。0. 026 26 cm2,cm= 65. 645) 變壓器骨架的設(shè)計 :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 。檢測出來并放大后送到調(diào)制中 ,通過調(diào)制電路調(diào)節(jié)脈沖寬度或頻率來達到穩(wěn)壓的目的 。整個控制電路是一個自動控制的反饋閉環(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 ;為了保護高頻高壓變壓器和負載的安全 ,利用電流互感器檢測變壓器初級電流 ,橋式整流電路把檢測到的信號整流后經(jīng)二極管引到 U C1875 的電流檢測端 。當初級電流過流時 ,檢測到的電流信號超過 2

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

15、圖 5 所示 。1)功率開關(guān)管驅(qū)動波形如圖 5 (a) 和圖 5 ( b) 所示分別為反相驅(qū)動波形和同相驅(qū)動波形 。圖 5 功率開關(guān)管驅(qū)動波形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)動中的兩個驅(qū)動信號相位相差 180°(占空比約為 40 %) ,這就保證了全橋上的四只功率開關(guān)管其中兩只 (1 、3 管) 導通時另外兩只 (2 、4 管) 一定閉合 ,而當其中兩只 (1 、3 管) 閉合時另外兩只 (2 、4 管) 一定導通 。從圖 5 ( b) 中我們可以看出 :同相驅(qū)動中的兩個信號相位幾乎保

16、持同步 ,這就保證了同路的兩只 (1 、3 管或 2 、4 管) 能夠同時導通和閉合 。2) 變壓器初級波形如圖 6 所示為變壓器初級波形 。我們可以看出 :變壓器初級波形為一頻率約為 33 k H Z ,幅度約為 220 V 的方波信號 。波形不是一個標準的方波信號 ,帶有一些毛刺和尖峰 ,這是由于輸入的交流信號經(jīng)過整流濾波后并不是很光滑而是存在毛刺和尖峰引起的 。若我們對一次濾波電路進行改進 ,波形效果將會更好 。圖 6 變壓器初級波形Fig. 6 The p rimary wavefo rm of t ransfo rmer3)直流高壓輸出波形變壓器次級輸出后 ,經(jīng)過二次整流濾波 ,將得

17、到一個直流高壓 ,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 。由于電路所接負載為 25 k 的功率電阻 ,我們可以計算得出電路最后的輸出功率 :PO= V2/ R = (5 ×103)2/ (25×103)= 1 000 W從我們所測到的數(shù)據(jù)計算可以得出 ,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)論本文較詳細地討論了一種 1 000 W 開關(guān)電源的(下轉(zhuǎn)第 96 頁)96圖 6 J = 6 , P = 100 的落點誤差探 測 與 控 制 學 報的大樣本空間中的每一種樣本進行 100 次彈道仿真 ,統(tǒng)計每種樣本的系統(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 ,本文通過仿真得到?jīng)_推器數(shù)量 、推沖沖量大小與系統(tǒng) CEP所對應的仿真曲線 ,對實際工作中根據(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值 ,有利于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計

19、 。Fig. 6 The erro r of level point when J = 6 , P = 100圖 7 J = 8 , P = 100 的落點誤差Fig. 7 The erro r of level point when J = 8 , P = 100通過以上的仿真驗證可以看出 :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)量與沖量優(yōu)化方法 ,該方法針對沖推器數(shù)量和沖量配置(上接第 91 頁)設(shè)計方法 。試驗表明 :該方法簡便可行 ,設(shè)計出來的電源工作穩(wěn)定

20、可靠 ,各項性能指標均滿足要求 。該方法的不足在于 :隨著對開關(guān)電源功率的不斷提高(比如提高到 10 k W 以上) ,開關(guān)管損耗也越來越大 ,這是我們必須要考慮的 。行業(yè)內(nèi)流行的ZCS2ZV S 諧振驅(qū)動電路為解決這一難題提供了基礎(chǔ) ,也必將成為以后開關(guān)電源研究領(lǐng)域的一個熱點 。參 考 文 獻 :參 考 文 獻 : 1 姚文進 ,王曉鳴 ,高旭東 ,等.彈道修正彈脈沖修正機構(gòu)簡易控制方法J . 彈道學報 ,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)仿真學報 ,2006 ,18 (9) :2 65722 660.M EN G Xinyu , WAN G Xiao ming , FAN G Qing. Simula2tio n of