電力操作電源主電路參數(shù)設(shè)計(jì)(附件中有圖)
引言

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展,移相全橋軟開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)管輪流導(dǎo)通,實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)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(kāi)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Cin用來(lái)平滑這一直流電壓,使其脈動(dòng)減小.

相電壓有效值:
為了保證整流濾波后的直流電壓最小值Vin(min)符合要求,每個(gè)周期中Cin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(kāi)關(guān),必須滿足下式:
其中,Lr是諧振電感,I是滯后開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)原邊電流的大小,CMOS是開(kāi)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(kāi)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(shuō),其脈動(dòng)量ΔiLf為2A.在1/3負(fù)載時(shí),

(A),開(kāi)關(guān)管IXFX2780Q的漏-源電容CMOS=750pF,Vin(max)=618V,Lr=39μH.

本諧振電感磁芯選用西門(mén)子公司的G42型號(hào)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;Ae為磁芯的導(dǎo)磁截面積,大小為388mm2.將μ0、Ae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VS(min)的大小:
其中,Vo(max)是最高輸出電壓;VD是輸出整流二極管的通態(tài)壓降;VLf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(mén)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(hào)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(hào)磁芯后,則副邊就可以由下式確定:
式中Ae為磁芯的有效導(dǎo)磁截面積.

查手冊(cè)可知,Ae=790mm2,Vs(min)=Vin(min)/K=396V,所以可得出Ns=20,采用Ns=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)Nf=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,Ns=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)Km為:
這說(shuō)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(lái)看,PWM 型DC/DC全橋變換器實(shí)際上類(lèi)似于一個(gè)降壓變換器,只不過(guò)它的工作頻率為開(kāi)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(kāi)關(guān)頻率fs改變?yōu)?fs.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)Vlf+VD≈5V時(shí),經(jīng)計(jì)算:Lf=920μF.


     (1-Ip:2A/div  2-Up:200V/div  t:10us/div)   (1-Is:2A/div  2-Us:200V/div  t:10us/div)
           圖2  變壓器初級(jí)電流/電壓波形      圖3  變壓器次級(jí)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ΔVout<0.44V,考慮到功率開(kāi)關(guān)管開(kāi)/關(guān)和輸出整流二極管開(kāi)/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Io=10A,最小的輸出電容可用下式計(jì)算:

Io: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(kāi)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(lái)確定其電壓與電流等級(jí),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Ip=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VVD=618V,而整流管流過(guò)的最大電流為:I0VDmax≥2I0max=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(jí)電壓/電流波形和次級(jí)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(jí)電壓/電流波形.從圖中可以看出,初級(jí)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(méi)有了傳統(tǒng)硬開(kāi)關(guān)變換器所出現(xiàn)的開(kāi)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(shuō)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(jí)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(méi)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(jí)整流器輸出電壓波形,由圖中可以看出,次級(jí)回路輸出電壓幾乎沒(méi)有后沿尖峰,這也從側(cè)面說(shuō)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(yǔ)

在電力操作電源的研究中,主電路的設(shè)計(jì)對(duì)整個(gè)電源的性能起非常重要的作用.經(jīng)實(shí)際測(cè)量得知,利用上述設(shè)計(jì)方法對(duì)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.