電力用15KW全橋移相整流模塊的設計

時間：2008-10-26 23:08:00

關鍵字：全橋移相電力整流模塊 BSP

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0 引言
在大型發(fā)電廠中，由于需求的直流負荷比較大，蓄電池的容量通常都在2000AH以上。若采用常規(guī)的10A或20A的開關整流模塊，一般需要20或10以上的模塊并聯(lián)，這樣并聯(lián)的模塊過多，對模塊之間的均流以及單個模塊的限流會帶來一定的影響，瞬間合閘操作形成的沖擊容易導致模塊燒壞，而且模塊的可靠性并不隨著模塊數(shù)量的增加而增加，一般并聯(lián)的模塊數(shù)量最好在10個以下。目前，在電廠中大容量的直流充電電源采用相控電源的，或多個20A高頻模塊并聯(lián)方案的比較多，但性價比不是很高，鑒于市場競爭的日益白熱化，因此，很有必要開發(fā)針對大型電廠用戶的大容量開關整流充電電源。本文介紹的15kW全橋移相ZVS PWM整流模塊正是考慮了這種要求，它采用了ZVS-FB PWM直流變換技術，控制電路采用UC3875專用全橋移相控制芯片，模塊具有重量輕、效率高、性價比高等優(yōu)點，它確實在相當程度上改善了電源產(chǎn)品可靠性、效率、電磁干擾(EMI)三大基本性能。

1 方案框圖
該模塊方案框圖如圖1所示。

2 主要技術方案設計
2．1 移相全橋軟開關DC／DC變換
移相全橋軟開關DC／DC變換包括軟開通和軟關斷。普通PWM變換器是改變驅(qū)動信號脈沖寬度來調(diào)解輸出電壓，它在功率管開關期間存在很大損耗，故采用硬開關技術的電源模塊的尖刺干擾大，可靠性差，效率低。而采用移相控制技術控制全橋來實現(xiàn)軟開關的電源模塊，是通過改變兩臂對角線上下功率管驅(qū)動信號移相角的大小來調(diào)節(jié)輸出電壓，讓超前橋臂功率管的驅(qū)動信號領先滯后橋臂功率管的驅(qū)動信號一個相位，用專用移相控制芯片UC3875對同一橋臂的兩個反相驅(qū)動電壓設置不同的死區(qū)時間，利用變壓器漏感、變壓器初級外串的諧振電感和功率管結(jié)電容、寄生電容、功率管源漏之間外并的諧振電容完成諧振過程，實現(xiàn)零電壓開通和零電壓關斷，從而能夠使得功率管在開關過程中避免電流與電壓同時處于較高值的硬開關狀態(tài)，抑制感性關斷電壓尖峰和容性開通時功率管溫度過高，減少了開關損耗與干擾，提高電源整機的可靠性。
2．2 基本全橋PWM變換器及其控制
全橋變換器適用于中大功率應用。圖2是基本電路結(jié)構(gòu)和控制策略。

2．3 移相控制ZVS-PWM DC／DC全橋變換器
全橋變換器的軟開關技術，對降低損耗和提高頻率具有的實用價值。移相控制零電壓開關PWM變換器利用變壓器的漏感或原邊串聯(lián)電感和功率管的寄生電容或外接電容實現(xiàn)零電壓開關。電路主橋結(jié)構(gòu)及主要波形如圖3所示。

2．4 控制方法
控制采用UC3875專用芯片，該芯片的內(nèi)部方框圖如圖4所示。

    該專用芯片有如下特點：
    (1)獨立可編程開通延時、零延時可能；
    (2)電壓、電流控制模式均可；
    (3)高頻化，實用的開關頻率可達300kHz，誤差放大器帶寬達10MHz；
    (4)四個圖騰柱結(jié)構(gòu)輸出驅(qū)動電流達100mA；
    (5)時鐘同步信號輸入輸出方便；
    (6)快速保護功能，含欠壓鎖定、過流保護等。
2．5 功率器件的選定及功率變壓器的設計
    利用UC3875N四個圖騰柱結(jié)構(gòu)輸出驅(qū)動電流大的特點，使其驅(qū)動DC／DC功率變換橋，DC／DC功率變換橋由IXFH23N80Q組成，開關頻率設定為66kHz，功率變壓器是模塊的“心臟”部分，它的選材、計算及繞制方法等將關系到所設計模塊的成敗及性能的好壞，必須高度重視。功率變壓器設計必須是：當模塊輸出滿載，輸入電網(wǎng)最低時，仍要滿足系統(tǒng)的正常工作。
    為了便于散熱，DC／DC功率變換橋的功率變壓器是由若干個變壓器串聯(lián)組成，變壓器磁芯選用多付ETD49，繞組用多股漆包線繞制。
2．6 移相全橋軟開關(FB-ZVS-PWM)實現(xiàn)要點
    (1)同一橋臂(超前橋臂或滯后橋臂)上下某一功率管關斷即開始諧振，諧振的目的是為了使另一功率管零電壓導通創(chuàng)造條件。
    (2)功率管源極、漏極之間并聯(lián)電容，且主變壓器的初級處于穩(wěn)態(tài)工作狀態(tài)是功率管實現(xiàn)零電壓關斷的條件。
    (3)主變壓器原邊通過功率管的體二極管處于續(xù)流狀態(tài)是功率管實現(xiàn)零電壓開通的條件。
    (4)零電壓關斷好實現(xiàn)、超前橋臂零電壓開通亦好實現(xiàn)，但滯后橋臂的零電壓開通不好實現(xiàn)，原因是滯后臂換流期，輸出濾波電感，未參與諧振與滯后。
    (5)普通PWM變換器是改變驅(qū)動信號脈沖寬度來調(diào)解輸出電壓，它不能實現(xiàn)電源輸出電壓從零可調(diào)，而移相控制全橋軟開關電源，是通過改變兩臂對角線上下功率管驅(qū)動信號移相角的大小來調(diào)節(jié)輸出電壓，所以它能實現(xiàn)電源輸出電壓從零可調(diào)。

3 N+1冗余備份中模塊之間的均流技術
每臺模塊均帶有先進的動態(tài)跟蹤實時處理均流電路，可由任意若干臺電源并聯(lián)組成大容量電源系統(tǒng)。實現(xiàn)任意多臺電源在總額定負載范圍內(nèi)民主均流工作。本功能不影響模塊包括穩(wěn)定度在內(nèi)的任何指標。
均流框圖如圖5所示，這種均流方式采用一個窄帶電流放大器，輸出端通過電阻R連至均流母線上，N個單元采用N個這種結(jié)構(gòu)。當輸出達到均流時，電流放大器輸出電流，I1為零，這時，IO1處于均流工作狀態(tài)，反之，在電阻R上產(chǎn)生一個Uab，由這個電壓控制IC102，由IC103來控制功率變換器，最終達到均流，開關K在所在單元正常工作時，是閉合的。當該單元發(fā)生故障時，K打開使該單元脫離均流工作，使其它幾個單元正常工作。

4 輸入過壓、欠壓保護和輸出限流、過流保護回路的設計
本電源設有獨立的輸入故障檢測系統(tǒng)，檢測輸入過壓、欠壓。用上行遲滯比較器來實現(xiàn)輸入欠壓保護，欠壓保護動作即封鎖脈沖，電源無輸出，同時在電源輸入回路串入軟起動電阻。欠壓保護解除，控制軟起動電阻的繼電器動作使電源輸入回路軟
起動電阻切除。用下行遲滯比較器來實現(xiàn)輸入過壓保護，過壓時即封鎖脈沖電源無輸出，同時在電源輸入回路串入軟起動電阻。模塊的輸出設有限流保護和過流保護，當電流突然增加達到一定數(shù)值后，首先限流回路啟動，若電流沒有限在規(guī)定的數(shù)值，那么過流回路馬上啟動。所有這些均為可恢復性保護，當所發(fā)生故障消失后，模塊能自動恢復工作。

5 熱設計
    電子產(chǎn)品對工作溫度一般均有嚴格的要求。電源設備內(nèi)部過高的溫升將會導致對溫度敏感的半導體器件、電解電容等元器件的失效。當溫度超過一定值時，失效率呈指數(shù)規(guī)律增加。有統(tǒng)計資料表明，電子元器件溫度每升高2℃，可靠性下降10％；溫升50℃時的壽命只有溫升為25℃時的1／6。所以電子設備均會遇到控制整個機箱及內(nèi)部元器件溫升的要求，這就是電子設備的熱設計。而高頻開關電源這一類擁有大功率發(fā)熱器件的設備，溫度更是影響其可靠性的最重要的因素，為此對整體的熱設計有嚴格要求。完整的熱設計包括兩方面：如何控制熱源的發(fā)熱量；如何將熱源產(chǎn)生的熱量散出去。最終目的是如何將達到熱平衡后的電子設備溫度控制在允許范圍以內(nèi)。
5．1 功率開關管的熱設計
    散熱方式為采用一塊合適的散熱器，由于開關管是高頻開關電源中發(fā)熱量較大的器件之一，減少它的發(fā)熱量，不僅可以提高開關管自身的可靠性，而且也可以降低整機溫度，提高整機效率和平均無故障時間(MTBF)。開關管在正常工作時，呈開通、關斷兩種狀態(tài)，所產(chǎn)生的損耗可細分成兩種臨界狀態(tài)的損耗，由開關管本身的通態(tài)和關斷產(chǎn)生的損耗，其中導通狀態(tài)的損耗由開關管本身的通態(tài)電阻(RON)決定?？梢酝ㄟ^選擇低通態(tài)電阻的開關管來減少這種損耗。MOSFET的通態(tài)電阻較IGBT的大，但它的工作頻率高，因此仍是開關電源設計的首選器件。開關電源中主要的發(fā)熱元器件為半導體開關管MOS管、大功率二極管等，高頻變壓器、濾波電感等磁性元件以及假負載等。針對每一種發(fā)熱元器件均有不同的控制發(fā)熱量的方法。這些發(fā)熱器件同散熱器之間存在界面熱阻，各種元器件要考慮到100％的可靠性，應該要有較好的散熱方式。采用熱阻抗較小的薄型導熱絕緣膠片解決此問題就是首選方案。
5．2 輸出整流二極管的熱設計
    對于高頻開關電源輸出整流二極管的一般情況下均不會有更優(yōu)的控制技術來減少損耗，只能通過選擇高品質(zhì)的器件，如采用導通壓降低、關斷速度快且軟恢復的超快恢復二極管，來減少損耗，降低發(fā)熱量。
5．3 高頻變壓器與濾波電感等磁性元件的熱設計
    高頻開關電源中不可缺少地應用了各種磁性元件，濾波器中的扼流圈、儲能濾波電感，隔離型的電源還有高頻變壓器。它們在工作中會產(chǎn)生或多或少的銅損、鐵損，這些損耗以發(fā)熱的方式散發(fā)出來。尤其是電感和變壓器，線圈中所流的高頻電流由于趨膚效應的影響，會使銅損成倍增加，這樣電感、變壓器所產(chǎn)生的損耗成為不可忽視的一部分。因此，在設計上要采用多股細漆包線組成的勵磁線纏繞，以降低趨膚效應造成的影響。
5．4．假負載的熱設計
    大功率開關電源為避免空載狀態(tài)引起的電壓升高，往往設有假負載——大功率電阻，開關電源工作時，假負載要通過少量電流，不但會降低開關電源的效率，而且其發(fā)熱量也是影響整機熱穩(wěn)定性的因素。假負載在印制板(PCB)上的位置往往與輸出濾波用電解電容靠得很近，而電解電容對溫度極為敏感。因此，很有必要降低假負載的發(fā)熱量。本設計采用假負載切除方式，當電源處于正常負載時，假負載退出消耗電流狀態(tài)；空載時，假負載消耗電流最大。這樣既不會影響電源空載時穩(wěn)定性，也不會降低電源的效率和產(chǎn)生大量不必要的熱量。

6 試驗波形
如圖6所示，是一臺模塊在輸出電壓258V，輸出電流40A情況下所監(jiān)測到的幾處波形。圖6(a)是MOS管柵極和源極間的驅(qū)動波形圖；圖6(b)為滯后橋臂MOS管漏極和源極之間的波形圖，從圖中可以滯后管已實現(xiàn)ZVS；圖6(c)是輸出整流后未經(jīng)濾波電感之前的波形；圖6(d)是其中一個輸出整流二極管陰極和陽極之間的波形，從波形圖可以看出，包括尖峰在內(nèi)，最大電壓不超過700V，因此選用耐壓1200V的整流二極管模塊就足可以滿足要求了。