10kW試驗(yàn)點(diǎn)火用低紋波開關(guān)電源設(shè)計(jì)

摘要：研制一種單相輸入全橋PWM變換器、電壓電流雙環(huán)控制、納米晶磁芯高頻變壓器和全橋整流、LC濾波器組成的脈寬調(diào)制變換器型穩(wěn)壓電源。輸出電壓1～1 OOV，最大電流達(dá)1 00A，輸出紋波小于O．1％(1～100V)。實(shí)現(xiàn)了某工程試驗(yàn)點(diǎn)火對(duì)電源的要求。
關(guān)鍵詞：脈寬調(diào)制變換器型穩(wěn)壓電源；低紋波

0 引言
    某工程試驗(yàn)點(diǎn)火裝置，為滿足狹小空間下，不同阻值爆炸橋絲的引燃工作，要求紋波小、輸出可調(diào)，體積小和高可靠的開關(guān)穩(wěn)壓電源?；疽笫禽斎階C220V，輸出DC0～100V連續(xù)可調(diào)，最大輸出電流100A，低頻紋波Vrms≤O．1％，電壓調(diào)整率≤0．5％，穩(wěn)定度≤0．1％的開關(guān)電源。設(shè)計(jì)思想主要服從可靠、體積兩方面要求。在綜合分析了現(xiàn)有的軟硬開關(guān)變換器電源技術(shù)后，采用了脈寬調(diào)制變換器的形式設(shè)計(jì)，好處是簡(jiǎn)單可靠。通過對(duì)電源的供電環(huán)節(jié)、反饋控制、吸收電路、元器件選取與制作以及工藝結(jié)構(gòu)等方面優(yōu)化設(shè)計(jì)，解決了大電流下的輸出紋波大、輸出大范圍調(diào)節(jié)下電源穩(wěn)定性差、炸管和振蕩等問題，研制出了合格的電源。

l 電源主電路
    電源主電路如圖1所示。電源由輸入電路、變換器、直流輸出和控制驅(qū)動(dòng)組成。輸入電路包含抑制合閘浪涌的延時(shí)電路、EMI過濾器、單相整流器和濾波電容器組。變換器采用脈沖寬度調(diào)制“H”橋拓?fù)洹８哳l變壓器、橋式整流器、電感器和電容器組構(gòu)成直流電壓輸出電路。控制電路利用PWM調(diào)節(jié)輸出電壓電流方案。

    1)輸入電路
    輸入電路由輸入延時(shí)啟動(dòng)、EMI濾波器、橋式整流電路B1和濾波電容器組C1構(gòu)成。延時(shí)啟動(dòng)使用繼電器方式，以減小電源合閘瞬間對(duì)濾波電容器組C1的電流沖擊。電容器選用CDE公司的DCMCE型逆變器專用輸入濾波電容器。整流橋選擇TECHSEM公司的MDQ75單相整流橋模塊。由于電源每次工作時(shí)間很短暫及體積的限制，輸入電路中沒有加入功率因數(shù)校正電路。
    2)變換器和驅(qū)動(dòng)電路
    變換器采用脈寬調(diào)制的“H”橋拓?fù)洌伤闹籌GBT(VT1一VT4)組成。工作時(shí)，其輸出在1～60μs變化脈沖寬度。IGBT選用三菱公司的CM75BU一12H單相全橋模塊，好處是每只IGBT開關(guān)特性的一致性好，無須考慮電路的平衡問題。對(duì)于驅(qū)動(dòng)電路，目前集成驅(qū)動(dòng)電路很多，由于它直接影響到IGBT可靠工作及可靠保護(hù)，經(jīng)比較選用了POWERXE公司基于VLA502一02的兩通道IGBT驅(qū)動(dòng)模塊BG2A。圖2是VLA502—02的原理圖，與常用混合驅(qū)動(dòng)模塊另一個(gè)同之處是它集成了DC／DC電源，無須再對(duì)每個(gè)驅(qū)動(dòng)電路單獨(dú)供電。實(shí)際使用表明，BG2A可靠性大大高于EX840等驅(qū)動(dòng)電路，從未遇到過損壞。

    3)變壓器和輸出整流濾波電路
    變壓器功率較大，鐵氧體磁芯難以做到，采用了鐵基納米晶帶材。與鐵氧體材料相比，鐵基納米晶帶材具有高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度、高導(dǎo)磁率和低矯頑力，使變壓器體積減小、頻響更高、效率提高。同時(shí)，加工、安裝方便、參數(shù)調(diào)整容易。由于IGBT作硬開關(guān)，工作頻率高于1 5kHz時(shí)，開關(guān)損耗成為電源主要損耗，因此，變壓器及變換器工作的頻率設(shè)計(jì)為15kHz。輸出整流二極管選用摩托羅拉MUR20020快恢復(fù)二極管。
    輸出濾波電路采用LC濾波器，由于電感器的電感量和功率較大，鐵粉芯和鐵硅鋁的磁芯沒有相適應(yīng)的產(chǎn)品規(guī)格，電感磁芯采用了鐵基非晶材料。為了降低輸出紋波，電容器采用美國(guó)CED公司101型電解電容器，它的ESR(等效串聯(lián)電阻)、ESL(等效串聯(lián)電感)為目前所有品牌電解電容器中最低，且溫度范圍很寬。
    4)控制與安全保護(hù)
    電源是輸出電壓在0～100V間不分檔、可連續(xù)調(diào)節(jié)的直流穩(wěn)壓電源，過載保護(hù)被設(shè)計(jì)成高精度的限流保護(hù)形式，其限流值在0～100A間可連續(xù)調(diào)節(jié)。為了可靠起見，反饋控制采用了傳統(tǒng)的模擬控制，即用誤差放大器來減小輸出電壓與參考電壓的誤差。控制芯片采用TL494，設(shè)計(jì)為恒壓恒流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，兩個(gè)閉環(huán)共用一個(gè)脈寬調(diào)制實(shí)時(shí)處理，實(shí)現(xiàn)恒壓調(diào)節(jié)和恒流調(diào)節(jié)功能。TL494的兩個(gè)誤差放大器，一個(gè)用于電壓穩(wěn)定控制，一個(gè)用于電流限制。電流采樣電阻采用1 00A／75mV標(biāo)準(zhǔn)分流器。TL494用作電壓反饋和電流反饋的放大器被設(shè)計(jì)成“或”的關(guān)系。輸出電壓大小的調(diào)節(jié)，用改變電壓反饋取樣電阻的分壓比實(shí)現(xiàn)，電流限制調(diào)節(jié)的方法同樣。

2 輸出電壓紋波
    抑制電源輸出電壓中的低頻交流紋波和開關(guān)噪聲紋波的關(guān)鍵是找到成因，再確定處理方案。通常是從器件和電路兩方面解決。
    1)尖峰噪聲的抑制
    尖峰噪聲產(chǎn)生于晶體管ON／OFF的瞬間。為抑制尖峰噪聲，選取ESR、ESL低的電容器和具有軟恢復(fù)特性的二極管，通過C4～C7和R4～R7對(duì)二極管開關(guān)時(shí)的尖峰進(jìn)行抑制。另外，在二極管套入非晶磁珠，對(duì)尖峰抑制效果大大好于RC電路，但發(fā)熱太大，未被采用。對(duì)于IGBT母線電感引起的尖峰，通常的LCR吸收電路比較復(fù)雜，參數(shù)不易協(xié)調(diào)。由于變換器是采用H橋模塊，母線很短，所以只用C2完成尖峰吸收。R2和R3吸收變壓器漏感引起的尖峰。使開關(guān)波形瞬間產(chǎn)生的尖峰電平只比直流電平稍高一些，大大減輕了IGBT上的尖峰噪聲。C2，C3選用CDE公司的930型聚丙烯薄膜無感電容器。
    2)輸出紋波的抑制
    開關(guān)電源中低頻交流紋波一般的說法是從交流電網(wǎng)引入的，輸出濾波器無法濾除，主要靠系統(tǒng)閉環(huán)負(fù)反饋來抑制，但這極易引起電路振蕩，損壞IGBT。事實(shí)上在供電容量足夠，輸入濾波合適的情況下，測(cè)不出交流輸入帶給直流輸出的紋波。由于開關(guān)電源電路中諧波豐富，以致引起低頻紋波的原因很多：工藝結(jié)構(gòu)方面，如布線不當(dāng)；器件的原因，如電容的ESR、電感參數(shù)(取直，氣隙，磁芯的選擇)；元件間的配合，如L與C的乘積值等。尤其電感器對(duì)電源的穩(wěn)定性和輸出紋波影響。其中防飽和氣隙是電感器在輸出引起低頻紋波重要原因，常常不易判斷，這個(gè)紋波的頻率隨氣隙的大小而變，范圍在幾百赫茲內(nèi)。幅度大小與輸出電壓的值有一定關(guān)系，且不成比例，如圖3所示。但電感磁芯沒有氣隙，又易飽和。非閉合磁芯，又使體積變很大，相對(duì)而言，設(shè)計(jì)了功率容量放大，不開氣隙的磁芯，使問題解決。

3 結(jié)束語
    經(jīng)有關(guān)計(jì)量單位對(duì)電源進(jìn)行的正式測(cè)試，無論是空載還是負(fù)載，輸出電壓在1～100V變化時(shí)，相應(yīng)紋波在0．6～50mV之間，電源的其它工作和指標(biāo)也都達(dá)到要求。電源在工程現(xiàn)場(chǎng)順利地通過了工程控制系統(tǒng)自運(yùn)行、發(fā)火引爆試驗(yàn)、測(cè)控系統(tǒng)聯(lián)試、發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火熱試車等工作的考核驗(yàn)證，已正式投入使用。這表明高功率調(diào)寬變換器型穩(wěn)壓電源可以很好的做到寬范圍的連續(xù)可調(diào)和超低紋波要求，拓寬了高功率普通硬開關(guān)電源的用途。