大容量開關(guān)電源設(shè)計解析

在通訊、電力領(lǐng)域，要求的直流電源系統(tǒng)輸出的電流電壓各不相同。對于大容量電源系統(tǒng)，往往采用多個同一電壓等級的小容量電源模塊并聯(lián)的方法來實現(xiàn)，但如果并聯(lián)的電源模塊太多，就不利于均流和可靠性，因此用戶迫切要求大容量電源模塊的出現(xiàn)，基于這種背景作者開發(fā)了大容量開關(guān)電源。

目前的大容量開關(guān)電源一般是由主電路、控制電路組成，而智能化開關(guān)電源，往往還有微機構(gòu)成的數(shù)控系統(tǒng)--在實現(xiàn)智能化功能的同時，還對開關(guān)電源的一些關(guān)鍵參數(shù)及各種故障信號進(jìn)行檢測傳送給上位機，同時上位機的一些控制量也可通過微機系統(tǒng)對開關(guān)電源的輸出電壓、電流進(jìn)行控制，本文采用PIC單片機作為開關(guān)電源智能化的核心引導(dǎo)控制電路和主電路進(jìn)行工作。

大容量開關(guān)電源主電路中的逆變電路一般為H橋式結(jié)構(gòu)，可以采用硬開關(guān)方式或軟開關(guān)方式，這2種方式在國外優(yōu)秀的大容量開關(guān)電源中都在廣泛應(yīng)用。在本電源中為了簡化電路結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)工藝，采用了硬開關(guān)技術(shù)。但是，硬開關(guān)的開關(guān)損耗大于軟開關(guān)的開關(guān)損耗，因此，要合理選擇工作頻率和損耗較小的開關(guān)器件至關(guān)重要。如果設(shè)計合理，硬開關(guān)技術(shù)仍然極具生命力。

由于開關(guān)電源常用的控制方法、主電路結(jié)構(gòu)形式及其相關(guān)技術(shù)已經(jīng)非常成熟，因此本文僅對大容量開關(guān)電源設(shè)計中的幾種新技術(shù)進(jìn)行介紹：PFC技術(shù)、工作穩(wěn)定性、多電源并聯(lián)均流。

2 功率因數(shù)校正電路的設(shè)計

大容量開關(guān)電源的進(jìn)線一般為三相380VAC，為了減少諧波，直流電源系統(tǒng)往往在進(jìn)線側(cè)統(tǒng)一加無源濾波。為了提高功率因數(shù)，每一電源模塊在輸入側(cè)增加了三相單開關(guān)PFC電路。當(dāng)輸入側(cè)的交流電壓變化土20%時，整流后的直流電壓變化土20%，經(jīng)過PFC控制就可以使一次側(cè)直流母線電壓基本保持在670VDC，這樣在提高功率因數(shù)的同時還可以減小后級逆變變壓器的體積。

三相單開關(guān)PFC主電路一般有2種方案：

(1)圖1(a)所示的主電路，其控制方式類似于單相PFC，采用了UCl854高頻有源PFC專用控制芯片，三相橋式整流后的每周期6波頭電壓，分壓輸入到UCl854作為電流給定信號，UCl854通過對開關(guān)S的通斷控制，使通過電感乙的電流也是每周期6波頭，這樣，每相的電流波形雖然不能逼近正弦波，但功率因數(shù)得到很大的提高，諧波減少。

(2)如圖1(b)的電路，在三相進(jìn)線端分別加電感，當(dāng)S閉合時，三相電源通過S分別為3個電感激磁，電感電流從零線性上升;當(dāng)S關(guān)斷時，電感電流逐漸降為0，在一個載波周期里，電感電流近似為三角波，但每相的平均電流與輸入電壓成正比，進(jìn)線每相電流的峰值包絡(luò)線自然而然地形成正弦波，而且電流相位與電壓相位一致，校正了功率因數(shù)。比較圖1(a)和圖1(b)，圖1(a)中只用了一個電感，結(jié)構(gòu)簡單，在設(shè)計的電源中得到應(yīng)用。

3 斜波補償及工作穩(wěn)定性分析

控制電路的核心是電流型雙路推挽輸出的UC3825，電源中所有的故障、啟停都可通過控制芯片的啟停來實現(xiàn)?？刂齐娐钒溯敵鲭妷?、電流控制器;電網(wǎng)輸入的過壓、欠壓、缺相保護(hù);輸出直流電源的過壓、短路保護(hù);散熱器的過溫保護(hù);風(fēng)扇的智能驅(qū)動及故障檢測;幾組模擬電壓、電流給定信號的自動切換，微控板可以檢測到所有的信號。如果說主電路的設(shè)計優(yōu)劣關(guān)系到整機可靠性的話，那么，控制電路將直接影響到輸出直流電源的品質(zhì)?？刂浦餍酒琔C3825為電流型器件，所有電流型PWM控制器件有一個共同的特點：當(dāng)反饋電流大于內(nèi)部給定電流時立即關(guān)斷所驅(qū)動的器件。這樣，當(dāng)反饋電流的波形前沿有毛刺時很容易引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定。解決的方法有：

(1)在電磁式電流互感器兩端并接電容去掉毛刺;

(2)充分利用器件特性，在器件的電流輸入端和振蕩器斜波輸入端并接電容、阻容。

事實證明：這兩種方法都能克服系統(tǒng)的不穩(wěn)定。

根據(jù)主電路方案及性能要求，輸出電流、輸出電壓采用雙路并聯(lián)控制方式，其中電流環(huán)為比例一積分控制的單環(huán)系統(tǒng)，電壓環(huán)為雙閉環(huán)系統(tǒng)，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，外環(huán)為電壓環(huán)，采用比例一積分一微分控制方式。動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，虛線框內(nèi)是電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖。

圖2中A，B分別為電流電壓反饋系數(shù)，其他參數(shù)對應(yīng)各自環(huán)節(jié)的物理量。

根據(jù)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖，設(shè)計出調(diào)節(jié)器的參數(shù)，可以得到優(yōu)異的靜、動態(tài)性能。

4 均流措施

用戶要求直流電源系統(tǒng)輸出的電流各不相同。對于大電流系統(tǒng)，往往采用較小電流的電源模塊并聯(lián)集成，這就要求電源模塊并聯(lián)工作時能夠很好地均流。目前，均流方法的發(fā)展方向是自主均流，自主均流的原理如圖3(a)所示，2腳為電流取樣輸入端，經(jīng)過A1放大后輸出給A2同相放大，A2輸出的7腳正是均流母線的正端，如果當(dāng)并聯(lián)的所有電源模塊的均流母線正端接在一起、負(fù)(6腳)端全部接地時，如圖3(b)所示，那么均流母線正端的電壓值反映的是并聯(lián)各模塊中的電流最大值。由于二極管的單向?qū)щ娦?，只有電流最大的模塊中的二極管才導(dǎo)通。正常情況下，各模塊分配的電流是均衡的。如果負(fù)載等外界因素發(fā)生變化使各模塊分配的電流不均衡，那么，總有一個模塊的電流最大，自動成為主模塊，其他模塊成為從模塊，通過圖3(a)的A3，A4放大器輸出端3腳的電壓值，改變各自模塊PWM控制信號寬度，跟蹤主模塊的電流基準(zhǔn)，以達(dá)到與主模塊均流的目的。UC3902是較好的均流器件，圖3(a)的管腳與UC3902一致。在使用中需要注意的是第5腳要接電阻、電容到控制地，而且電阻阻值較小，電容值較大。目的是為了使均流調(diào)節(jié)慢于電壓環(huán)、電流環(huán)的調(diào)節(jié)，否則，可能導(dǎo)致電源系統(tǒng)不穩(wěn)定。

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5 實驗結(jié)果及結(jié)論

通過對3臺20A/200V和1臺30A/220V電源的測試，其性能如表1所示。

從性能指標(biāo)及測試結(jié)果可以看出，整個電源的各項指標(biāo)都達(dá)到了很高的水準(zhǔn)，說明設(shè)計是合理的、先進(jìn)的。