電力操作電源主電路參數(shù)設(shè)計(jì)

引言

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，移相全橋軟開關(guān)控制技術(shù)逐漸應(yīng)用于電力操作電源中，因?yàn)樗坏梢詼p少電源的開關(guān)損耗、電磁干擾，還能改善電路的輸出特性，提高電路的效率、穩(wěn)定性和可靠性。在移相全橋軟開關(guān)電力操作電源研究中，涉及了很多方面，如主電路的參數(shù)選擇與設(shè)計(jì)、控制電路的設(shè)計(jì)、防電磁干擾的設(shè)計(jì)以及參數(shù)的影響等，本文在此只分析電力操作電源主電路參數(shù)設(shè)計(jì)。

圖1  操作電源模塊原理框圖

電力操作電源工作原理

本電源模塊的原理框圖如圖1所示，三相交流輸入電源經(jīng)輸入三相整流、濾波變換成直流，全橋變換電路再將直流電變換成高頻交流電，然后經(jīng)高頻變壓器變壓隔離、經(jīng)整流器整流、濾波器濾波轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的直流輸出。電源主電路采用移相ZVS全橋軟開關(guān)變換電路，每一個(gè)橋臂采用兩個(gè)功率管并聯(lián)。

該變換器在一個(gè)變換周期內(nèi)共有12種工作狀態(tài)，4個(gè)開關(guān)管輪流導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)零電壓開通和零電壓關(guān)斷，從而降低了功耗。同時(shí)為了抑制直流分量，采用了隔離電容；為了減小占空比，采用了飽和電感，使電源工作更加可靠。

電源主電路參數(shù)的設(shè)計(jì)

主電路設(shè)計(jì)主要指標(biāo)

1. 輸入三相交流電壓：
， 
2. 輸出直流額定電壓：220V，在180V~320V范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)
3. 輸出電流：10A
4. 輸出最大功率：3200W
5. 輸出紋波系數(shù)：≤0.2%
6. 工作頻率：34KHz
7. 綜合效率：≥90%

輸入濾波電容的選擇

大功率開關(guān)電源采用三相380V交流電輸入，經(jīng)全橋整流后得到脈動(dòng)的直流電壓，輸入濾波電容C_in用來平滑這一直流電壓，使其脈動(dòng)減小。

相電壓有效值:
 =304V－437V
為了保證整流濾波后的直流電壓最小值V_in(min)符合要求，每個(gè)周期中C_in所提供的能量約為：

經(jīng)整理后，可得輸入濾波電容為：
。

諧振電感的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)諧振電感時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)滯后橋臂的零電壓開關(guān)，必須滿足下式：

其中，Lr是諧振電感，I是滯后開關(guān)管關(guān)斷時(shí)原邊電流的大小，CMOS是開關(guān)管漏-源極電容，Vin是整流濾波后的直流電壓。

在實(shí)際設(shè)計(jì)中，考慮到滯后管在1/3滿載以上時(shí)實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)，Vin應(yīng)取最大值，同時(shí)，負(fù)載電流為1A時(shí)，濾波電感的電流ILf臨界連續(xù)，也就是說，其脈動(dòng)量ΔiLf為2A。在1/3負(fù)載時(shí)，

(A)，開關(guān)管IXFX2780Q的漏-源電容C_MOS=750pF，V_in(max)=618V，L_r=39µH。

本諧振電感磁芯選用西門子公司的G42型號罐型磁芯，取氣隙δ=2mm，那么根據(jù)公式：

式中：µ₀是導(dǎo)磁率，大小為4π×10-7H/cm；A_e為磁芯的導(dǎo)磁截面積，大小為388mm²。將μ₀、A_e和δ代入式上式，可得：繞組匝數(shù)N=4。實(shí)際中，用6根線徑0.62mm的導(dǎo)線絞結(jié)繞制而成。

高頻變壓器設(shè)計(jì)

1. 主變壓器原副邊變比
設(shè)計(jì)高頻變壓器時(shí)，原副邊變比應(yīng)盡可能大一些，同時(shí)，變壓器的變比應(yīng)按最低輸入電壓Vin選擇。這里假設(shè)副邊的最大占空比為0.85，則可計(jì)算出副邊電壓V_S(min)的大?。?BR>
其中，V_o(max)是最高輸出電壓；V_D是輸出整流二極管的通態(tài)壓降；V_Lf是輸出濾波電感上的直流壓降。
故變壓器原副邊變比為：

2. 磁芯的材料選擇
變換器中，高頻變壓器傳遞的是頻率為34KHz以上的前沿陡峭的高頻方波電壓。因此，變壓器磁芯采用的是西門子公司生產(chǎn)的N27系列鐵氧體材料。由于本電源輸出功率為2.2kW，根據(jù)磁芯規(guī)格和功率關(guān)系，可采用PM74型號的磁芯。根據(jù)B~H溫度特性曲線，在本設(shè)計(jì)中選用的最大工作磁通密度BM為：

3. 原邊和副邊匝數(shù)
選定N27系列的PM74型號磁芯后，則副邊就可以由下式確定：

式中A_e為磁芯的有效導(dǎo)磁截面積。

查手冊可知，A_e=790mm2，V_s(min)=V_in(min)/K=396V，所以可得出N_s=20，采用N_s=21，根據(jù)變比K=1，同時(shí)根據(jù)應(yīng)使變壓器變比最大的原則，取原邊匝數(shù)N_f=23。

4. 確定變壓器繞組導(dǎo)線線徑和股數(shù)
確定繞組的導(dǎo)線線徑時(shí)，應(yīng)使用電流有效值：

同時(shí)，也要考慮導(dǎo)線的集膚效應(yīng)，在34KHz頻率下，穿透深度Δ=0.35mm，因此，繞組應(yīng)選用線徑小于0.70mm的銅導(dǎo)線。若電流密度取4A/mm²，則導(dǎo)線截面積為：

查表，可選用6根線徑為0.62mm、截面積為0.3019mm²的導(dǎo)線絞結(jié)繞制。同時(shí)，因變壓器原邊和副邊都是一組繞組，變比為1，即原邊也用6根線徑為0.62mm的導(dǎo)線絞結(jié)繞制而成。

5. 校核窗口面積
因?yàn)镹_f=23，N_s=21，A₁=6×0.62=3.7mm²=A₂，可以估算窗口面積S0≥790mm²(磁芯面積)，可得占空系數(shù)K_m為：

這說明所設(shè)計(jì)的變壓器的窗口面積能容納所有繞組。

輸出電感的設(shè)計(jì)

從輸出濾波器側(cè)來看，PWM 型DC/DC全橋變換器實(shí)際上類似于一個(gè)降壓變換器，只不過它的工作頻率為開關(guān)頻率的2倍。因此，在設(shè)計(jì)PWM 型DC/DC全橋變換器的輸出濾波電感和輸出濾波電容時(shí)，可以選用降壓變換器的計(jì)算公式，但要將其開關(guān)頻率f_s改變?yōu)?f_s。輸出電感可按下式計(jì)算：

本電源輸入電壓最高為618V，輸出電壓最低為180V，設(shè)V_lf+V_D≈5V時(shí)，經(jīng)計(jì)算：L_f=920µF。

                
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           圖2  變壓器初級電流/電壓波形      圖3  變壓器次級電流/電壓波形

輸出濾波電容的選擇

根據(jù)實(shí)際要求，紋波系數(shù)要≤0.2%，由于本電力操作電源額定輸出電壓為220V，則輸出電壓的紋波副值ΔV_out<0.44V，考慮到功率開關(guān)管開/關(guān)和輸出整流二極管開/關(guān)時(shí)造成的電壓尖峰以及直流母線電壓殘留的紋波，可令輸出電壓的交流紋波為：=100mV，而I_o=10A，最小的輸出電容可用下式計(jì)算：

I_o：輸出電流；△_Vout：允許的輸出電壓紋波峰峰值；f：工作頻率。

這樣算出的電容值是最小值，考慮到實(shí)際需求，選擇560mF/400V的輸出濾波電容。

主功率器件和
輸出整流二極管的選擇

通常，開關(guān)管和整流二極管的選取取決于它的電壓應(yīng)力與電流應(yīng)力。依據(jù)輸入最高電壓時(shí)輸出最大電流的要求來確定其電壓與電流等級，并預(yù)留1.5~2倍的電壓和2~3倍的電流裕量。由于整流濾波后的直流電壓最大值為618V，變壓器原邊電流最大值為I_p=12A/K=12A，所以功率管采用IXYS公司生產(chǎn)的IXFX27N80Q功率管，額定電壓為800V，額定電流為27A。

因?yàn)樽儔浩鞲边叢捎萌珮蛘麟娐?，整流管上承受的最大反向電壓為V_VD=618V，而整流管流過的最大電流為：I_0VDmax≥2I_0max=24A，所以選取IXYS公司生產(chǎn)的DSEI30二極管，能承受的最高電流為26A(高于2倍的輸出額定電流)，最大反向電壓1200V。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

為了考察選擇的參數(shù)是否達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求，本文利用TDS3012記憶示波器采集了變壓器初次級電壓/電流波形和次級整流器輸出波形進(jìn)行分析。       

圖2給出了輸入交流電壓380V，輸出220V/6.5A時(shí)的變壓器初級電壓/電流波形。從圖中可以看出，初級變壓器的電壓波形很純凈，原邊電流也因?yàn)橛兄C振電感的存在，沒有了傳統(tǒng)硬開關(guān)變換器所出現(xiàn)的開通電流尖峰。同時(shí)，原邊電流在上沖或者下沖時(shí)斜率很大，很快上升到負(fù)載電流，說明諧振電感此時(shí)幾乎處于飽和狀態(tài)，導(dǎo)致占空比丟失大大減小。

圖3給出了輸入交流電壓380V、輸出為220V/6.5A時(shí)的變壓器次級電壓/電流波形。從圖中可以看出，副邊電流波形很純凈，并且在換向時(shí)，尖峰也沒有原邊電流那么大。同時(shí)，副邊電壓有少許振蕩，這是由輸出整流管的反向恢復(fù)和變壓器的副邊漏感造成的。

圖4是次級整流器輸出電壓波形，由圖中可以看出，次級回路輸出電壓幾乎沒有后沿尖峰，這也從側(cè)面說明了主變壓器漏感較小，以及磁芯用PM型可以減少漏磁。

結(jié)語

在電力操作電源的研究中，主電路的設(shè)計(jì)對整個(gè)電源的性能起非常重要的作用。經(jīng)實(shí)際測量得知，利用上述設(shè)計(jì)方法對主電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，整個(gè)電源的性能穩(wěn)定，輸出電壓尖峰大大減小，效率較高。