开关电源设计 机载高频开关电源设计.doc

开关电源设计机载高频开关电源设计机载高频开关电源产品专门用于输入交流400Hz的场合这是特意为了满足军用雷达、航空航天、舰船、机车以及导弹发射等专门用途所设计的。应用户要求研制出机载高频开关电源产品对电子武器装备系统的国产化打破国际封锁提高我军装备的机动性高性能都有重要的意义。机上可供选择的供电电源有两种输入方式：115V/400Hz中频交流电源和28V直流电源。两种输入方式各有优缺点115V/400Hz电源波动小需要器件的耐压相对较高;而28V直流电源却相反一般不能直接提供给设备部件使用必须将供电电源进行隔离并稳压成为需要的直流电源才能使用。机载电源的使用环境比较恶劣必须适应宽范围温度正常工作并能经受冲击、震动、潮湿等应力筛选试验因此设计机载电源的可靠性给我们提出了更高的要求。下面主要介绍115V/400Hz中频交流输入方式所研制的开关电源它的输出电压270～380Vdc可以调节输出功率不小于3000W环境温度可宽至-40℃～+55℃完全适应军品级电源的需要。系统构成及主回路设计图1所示为整机电路原理框图。它的设计主要通过升压功率因数校正电路及DC/DC变换电路两部分完成。115Vac/400Hz中频交流电源经输入滤波通过升压功率因数校正(PFC)电路完成功率因数校正及升压预稳、能量存储再通过DC/DC半桥变换、高频整流滤波器、输出滤波电路以及反馈控制回路实现270～380Vdc可调节输出稳压的性能要求。图1整机电路原理框图升压功率因数校正电路主要使输入功率因数满足指标要求同时实现升压预稳功能。本部分设计兼顾功率因数电路达到0.92的要求又使DC/DC输入电压适当不致使功率因数校正电路工作负担过重因此设定在330～350Vdc。隔离式DC/DC变换器电路拓扑结构形式主要有以下几种：正激、反激、全桥、半桥和推挽。反激和正激拓扑主要应用在中小功率电源中不适合本电源的3000W输出功率要求。全桥拓扑虽然能输出较大的功率但结构相对较为复杂。推挽电路结构中的开关管电压应力很高并且在推挽和全桥拓扑中都可能出现单向偏磁饱和使开关管损坏。而半桥电路因为具有自动抗不平衡能力而且相对较为简单开关管数量较少且电压电流应力都比较适中故不失为一种合理的选择。DC/DC变换电路主要为功率变压器设计采用IGBT/MOSFET并联组合开关技术和半桥电路平衡控制技术。经过分析计算采用双E65磁芯初级线圈12匝次级绕组圈15匝。关键技术设计1功率因数校正技术和无源无耗缓冲电路具有正弦波输入电流的单相输入个功率因数校正电路在开关电源中的使用越来越广泛图2所示为升压功率因数校正和无源无耗缓冲电路。图2功率因数校正和新型的无源无耗缓冲电路采用无源无耗缓冲电路元件全部采用L、C、D等无源器件既有零电流导通特性又有零电压关断特性比传统的有损耗的缓冲电路元件少30%。缓冲电路元件包括L1、C1、C2、D1、D2和D3。可用UC2854A控制主开关SWB其缓冲电路是不需控制的并且具有电路简单的特点。其原理是将二极管DB反向恢复的能量和SWB关断时储存在C2中的能量在SWB导通时转移到C1中。在SWB关断时L1中的储能向C2充电并通过D1、D2、D3转移到CB中同时也向CB放电用这种电路实现了零电压关断和零电流导通有效地减少损耗提高了电路的效率和可靠性。该电路的主要特点是：开关SWB上最大电压为输出电压VL。Boost二极管DB上最大反向电压为VL+VEVE值由IR、L1、C1及C2的相关值决定。开关SWB上最大电流上升率由L1和V1决定并且导通损耗和应力很小。开关SWB上最大电压率由C2决定并且关断功耗和应力很小。在开关周期中为获得电流和电压上升率的控制而储存在L1和C2中的能量最终又回到输出电源中这样确保电路真正的无损耗工作。2IGBT/MOSFET并联组合开关技术图3所示为IGBT/MOSFET并联组合开关电路及工作波形图。与MOSFET相比IGBT通态电压很低电流在关断时很快下降到初始值的5%但减少到零的时间较长约1～1.5μs在硬开关模式下会导致很大的开关损耗。在组合开关中并联MOSFET在IGBT关断1.5μs后拖尾电流已减少到接近零时才关断。图3IGBT/MOSFET并联组合开关电路及工作波形图这种技术因通态损耗很低而使得DC/DC变换器的效率很高。但需工作频率相对较低一般选取20～40kHz。由于半桥组合开关只需两个开关总的开关器件的数目少使可靠性显著提高。3半桥电路平衡控制技术通过控制和调整IGBT/MOSFET栅驱动的延迟时间可使半桥平衡避免变压器偏磁饱和过流烧毁开关管。这在脉冲较宽大时很容易实现。但当轻载或无载时脉宽很窄(例如小于0.3μs)此时的IGBT/MOSFET延迟已取消。因此在窄脉宽时为保持其平衡我们采用了一个低频振荡器。当