高壓開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)方法_圖文

1、第32卷第1期2010年2月探測(cè)與控制學(xué)報(bào)Journal of Detection &ControlVol 132No 11Feb 120103收稿日期:2009208211修回日期:2009212203作者簡(jiǎn)介:陳勇(1977-,男,湖北省荊門(mén)人,碩士,研究方向:電子引信和功率電子技術(shù)研究。E 2mail : 。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)621900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,特別是詳細(xì)研究高壓大功率變壓器設(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,且可操

2、作性不強(qiáng)。較詳細(xì)地討論了一種設(shè)計(jì)1000W 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,各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足要求。關(guān)鍵詞:高壓;開(kāi)關(guān)電源;變壓器;整流中圖分類(lèi)號(hào):TM804文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):100821194(20100120088204Design of 1000W High 2voltage Switching Pow er SupplyC H EN Y ong ,H E Shaojun(China Academy of Engineering Physics ,Mianyang 621900,China Abstract :There are many pape

3、rs discussing switching power supply ,while those on the high 2power switchingsupply are very little.The methods introduced in those papers are very complex with poor feasibility.Therefore ,a simple and feasible method to design the 1000W switching power supply is discussed in detail.The power suppl

4、y designed with this method works stably and reliably ,meeting the design requirement.K ey w ords :high 2voltage ;switching supply ;transformer ;commutate0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,它以體積小、重量輕、效率高的特點(diǎn)而著稱125。開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)是一項(xiàng)重要的課題

5、,如何設(shè)計(jì)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1000W 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。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中,由四個(gè)整流二極管接成全橋的形式,把220V ,50Hz 的工頻電網(wǎng)電壓直接引入,進(jìn)行全波整流,然后送給下一級(jí)濾波器變成直流電壓輸出,給直流變

6、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)程中,一般都選四個(gè)反向耐壓值為600V 的整流二極管,整流二極管的導(dǎo)通電流I D 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:I D =P O2202(1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I D的計(jì)算公式:I D =P O1652=P O231=1000231=4.33A (2 圖1前端整流電路Fig.1The rectifier circuit of formal port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

7、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在200V 左右。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(lèi)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。2橋式變換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500W 電源,而全橋式變換適用于高功率(大于500W 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IG 2B T 功率模塊構(gòu)成,4只IG B T 模塊分

8、兩組相繼導(dǎo)通閉合,從而來(lái)控制高頻變壓器的導(dǎo)通與閉合 。圖2全橋式變換電路結(jié)構(gòu)Fig.2The topological structure of f ull 2bridge circuit全橋式變換電路工作方式為:在驅(qū)動(dòng)控制電路的控制下,4只IG B T 模塊分兩組(1、3管和2、4管相繼導(dǎo)通閉合,實(shí)現(xiàn)由直流向交流的轉(zhuǎn)換。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):1磁芯的選擇:根據(jù)變壓器的功率和頻率,我們選用鐵氧體EE110型磁芯。該磁芯具體參數(shù)

9、為:A e =12.25cm 2,A w =16cm 2,A P =A e A w =196cm 42繞組匝數(shù)的計(jì)算:根據(jù)N P =V 1K f f s B w A e(3式中,f s 為開(kāi)關(guān)工作頻率(Hz ;B w 為工作磁通密度(T ;A e 為磁芯有效面積(m 2;K f 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I P=P O V in =1×103300×0.9=3.7A (43

10、副邊匝數(shù)N S =N P V S V P =9×5000300=150匝,取整為N S =150匝。4原邊繞組裸線面積A XP =I PJ,式中,J =P T ×104K 0K f f s B w A P(5由于二次整流使用橋式整流,則P T =P O (1+1=1000×(1+10.9=2111W (6所以電流密度J =2111×1044×0.4×35×0.2×196×103=9.6A/cm 2(7從而原邊繞組裸線面積A XP =I P 12J =3.712×9.6=0.032cm 2(采用1

11、2線并繞(8查導(dǎo)線規(guī)格表得最近線號(hào):AW G #11,A XS =98陳勇等:高壓開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)方法0.04168cm 2,cm=41.37。同理副邊繞組裸線面積:A XS =I S J =0.29.6=0.0208cm 2(9查導(dǎo)線規(guī)格表得最近線號(hào):AW G #13,A XS =0.02626cm 2,cm=65.64。5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。4驅(qū)動(dòng)控制電路控制電路的主要功能是把輸出端的不穩(wěn)定電壓檢測(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、

12、調(diào)制器等電路。由UC1875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.3The controlling circuit of resonator transforming在UC1875的16腳(頻率設(shè)定端接80k 電阻和470p F 的電容,把頻率設(shè)置為35k 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UC1875的誤差放大器反相端(3腳,同相端使用UC1875芯片內(nèi)的固定電壓2.5V ;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UC1875的電流檢測(cè)端。當(dāng)初級(jí)電流過(guò)流時(shí),檢測(cè)

13、到的電流信號(hào)超過(guò)2.5V ,UC1875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UC1875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.4The driving circuit for f ull 2bridge converter9探測(cè)與控制學(xué)報(bào)5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)

14、波形 。圖5功率開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)波形Fig.5The waveform of power switching tube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33k HZ ,幅度約為220V 的方波

15、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.6The primary waveform of transformer3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.7The waveform of the high 2voltage output從圖7中可知:輸出直流高壓幅度約為5kV 。由于電路所接負(fù)載為25k 的功率電阻,我們可以計(jì)算得出電路最后的輸出

16、功率:P O =V 2/R =(5×1032/(25×103=1000W 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P in =U I =220V ×5A =1100W 電路的總效率則為:=P O /P in =1000/1100=91%6結(jié)論本文較詳細(xì)地討論了一種1000W 開(kāi)關(guān)電源的(下轉(zhuǎn)第96頁(yè)19陳勇等:高壓開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)方法 圖6J =6,P =100的落點(diǎn)誤差Fig.6The error of level point when J =6,P = 100圖7J =8,P =100的落點(diǎn)誤差Fig.7The error of level point

17、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 =120N 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

18、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)。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 Xiaoming ,GAO Xudong ,et al.A Simple Control Method for Impulse Correction Device in Trajectory Correction Projectil J .Journal 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(9:265722660.M EN G Xinyu ,WAN G Xiaoming ,FAN G Qing.Simula 2tion of 6Do F Trajectory Correction and Impulse Force Influencing J .Journal of System Simulation ,2006,18(9:265722660.3韓子鵬.彈箭外彈道學(xué)M .北京:北京理工大學(xué)出