一種低頻脈沖負載用特種開關電源研制

20世紀50年代，人類開始有了最早的開關電源；80年代，計算機電源全面實現(xiàn)了開關電源化；90年代后，開關電源相繼開始大面積進入了各種電子、電器設備領域[1]。隨后在雷達領域也開始了非常廣泛的應用。

隨著現(xiàn)代雷達技術的發(fā)展，對于電源的需求越來越多樣化，特殊化。另外，由于雷達的工作特性決定了其發(fā)射電源的負載特性為脈沖式負載，且不同的雷達由于其發(fā)射頻段不一樣，所以電源的負載脈沖頻率也是多種多樣的。同時為了控制頂降不能過大，電源的輸出端往往都要接上很大容量的儲能電容。我們設計開發(fā)的這款開關電源主要應用于雷達的發(fā)射機，為雷達波的發(fā)射提供供電。

1 主要技術指標

該電源輸入為380V三相四線，輸出為24～36V（額定值為28V）可調(diào)，輸出電流為60A，效率大于90%，源效應≤±0.1%，負載調(diào)整率≤±0.5%，具有過流、過壓保護功能，同時電源內(nèi)部要求輸出自帶1F以上的儲能電容，負載為20Hz、占空比30%的低頻脈沖負載。

2 設計難點及解決方法

①為了保證脈沖負載內(nèi)的頂降符合要求，輸出端要求帶有不小于1.1F的儲能電容，即電源要求能夠帶很大的容性負載；解決方法：1）控制上采用電流內(nèi)環(huán)，電壓外環(huán)的雙閉環(huán)控制策略，采用對輸出電容限流降壓充電的方式，以避免沖擊電流保護；2）設計了軟啟動電路，開機時使輸出電壓緩慢上升，以減小沖擊電流。

②負載在30%的脈內(nèi)峰值電流達130A以上，而電源的額定輸出電流Io為60A，過流能力為120%Io。這樣就既要保證在脈內(nèi)峰值電流的沖擊下過流保護電路不會誤動作，同時在真實過流時又能保護電源不受損壞。

解決方法：采用單一輸出過流點保護時，在30%的脈內(nèi)峰值電流已達130A以上，電流超過了過流點，此時過流電路動作，必然影響負載的正常工作，所以不能采用單一輸出過流點保護方式；在電流、電壓雙閉環(huán)電路中，當電流到達環(huán)路限流點時，進一步增加負載將引起輸出電壓的降低，利用這一特性對輸出過流保護電路采用輸出過流和輸出欠壓相“或”的邏輯控制方式，即單獨輸出過流或輸出欠壓時保護電路不動作，只有當輸出過流且輸出電壓被降至欠壓點以下時才保護并關機。

3 方案介紹
本電源方案的結構框圖如圖1所示，下面進行簡要介紹。

圖1.電源結構框圖

①輸入EMI濾波及整流電路：選用專門生產(chǎn)電源濾波器廠家的三相電源濾波器。濾波器緊靠在電源金屬外殼的入口處，以保證良好的EMI和EMC。
②無源PFC電路：如圖2所示，由軟啟動電路、濾波電感和濾波電容組成的無源PFC電路，簡單可靠，能夠達到電源的技術指標的要求。

圖 2 輸入電路

③DC-DC功率變換模塊：選用全橋移相軟開關電路[2]。

圖3 ZVS全橋變換器ZVS全橋變換器的電路如圖3所示。其中Q1～Q4是四只主開關管，D1～D4分別是Q1～Q4的內(nèi)部寄生二極管，C1～C4分別是Q1～Q4的寄生電容，Lr是諧振電感，Tr是高頻變壓器，DR1和DR2是輸出整流二極管，Lf是輸出濾波電感，Cf是輸出濾波電容。本變換器采用移相控制，每個橋臂的兩個功率管成180°互補導通，兩個橋臂的導通角相差一個相位，即移相角，通過調(diào)節(jié)移相角的大小來調(diào)節(jié)輸出電壓。Q1和Q3分別超前于Q4和Q2一個相位，稱Q1和Q3組成的橋臂為超前橋臂，Q2和Q4組成的橋臂則為滯后橋臂。該變換器采用移相控制的方法利用諧振電感的能量來實現(xiàn)超前橋臂和滯后橋臂的零電壓開關（ZVS），從而提高電源的效率、可靠性，減小EMI。同時在變換器中加入箝位電路，從而降低副邊整流管的尖峰電壓，有利于變換器的整體優(yōu)化[3]。

該變換器具有以下特點：

- 超前橋臂可以在很寬的負載范圍內(nèi)實現(xiàn)ZVS；

- 滯后橋臂可以在一定的負載范圍(一般>Iomax/2)內(nèi)實現(xiàn)ZVS；

- 輸出整流管上電壓振蕩和電壓尖峰較??；

- 恒定頻率控制，易于優(yōu)化設計輸出濾波電感和濾波電容。

圖4給出了ZVS全橋變換器的控制電路的框圖。其中PWM控制電路是基于UC3879芯片的電壓電流雙閉環(huán)控制電路，其動態(tài)特性比電壓單閉環(huán)要好得多[4]。

圖4 ZVS全橋變換器的控制電路結構框圖

為進一步提高電源的動態(tài)性能，在控制電路中加入箝位電路，防止調(diào)節(jié)器深度飽和，使調(diào)節(jié)器由飽和進入線性調(diào)節(jié)區(qū)的時間被大大縮短，從而進一步提高電源的動態(tài)性能。控制電路中還包括輸出電流限制功能。在電壓閉環(huán)前端加入均流電路，通過環(huán)路調(diào)節(jié)控制實現(xiàn)電源多模塊并聯(lián)功能，其中均流電路采用UC3902芯片。保護電路包括本機的輸出過壓保護、輸出過流保護（過流保護電路已集成在PWM芯片內(nèi)部），將輸出過壓、過流放在本機而不是系統(tǒng)控制電路，主要考慮檢測方便，延時小，有利于快速反應。控制電路的正常工作需要系統(tǒng)控制電路輸出的正常開機信號。

④輔助電源：提供不受控的控制電路的電源。由于輸入電網(wǎng)電壓高，采用雙管反激電路可以減小功率開關管的電壓應力。反激電路可以適應較大范圍的輸入電壓變化，結構體積比較小[5]。

下圖是雙管反激電路圖：

圖5 雙管反激電路圖

4 試驗結果根據(jù)上述方案，制作了8臺電源，經(jīng)過測試及各種環(huán)境試驗，電源輸出電壓為28V（24V～36V范圍內(nèi)可調(diào)），輸出電流為60A，效率在90%以上，其中部分可達到92.8%，負載調(diào)整輸出變化為0.15V左右，負載調(diào)整率低至0.1%，線網(wǎng)調(diào)整時輸出電壓變化0.01V，可以滿足電源指標要求。最后與雷達整機系統(tǒng)進行聯(lián)試，性能穩(wěn)定可靠，滿足了整機系統(tǒng)的需要，達到了預期的效果。圖6和圖7給出了聯(lián)機時變壓器上正常工作的電流波形和電源照片。

圖6 通道1為帶脈沖負載輸出電壓波形，通道2為變壓器原邊電流波形

圖7 電源帶載試驗時面板部分照片

5 結束語

采用相同技術方案的該電源已經(jīng)過批量生產(chǎn)并投入產(chǎn)品使用，證實該電源的研制非常成功，對今后類似低頻脈沖式負載電源的設計具有重要的借鑒意義。

參考文獻

[1] 開關電源的技術追求和發(fā)展趨勢. 維庫電子市場網(wǎng).

[2] 阮新波，嚴仰光．脈寬調(diào)制DC/DC全橋變換器的軟開關技術. 北京: 科學出版社，1999.

[3] 李善慶，王琪，路侃．加箝位二極管全橋變換器的研究與應用．電源技術，2008，9：61-63．

[4] 張占松，蔡宣三．開關電源的原理與設計.北京: 電子工業(yè)出版社，1998.

[5] 張先進，周平森，王慧．雙管反激變換器研究分析. 電子發(fā)燒友網(wǎng).

作者簡介

汪邦照（1982— ），男，本科，2003年畢業(yè)于安徽大學自動化系，現(xiàn)工作于合肥華耀電子工業(yè)有限公司，主要研究方向為：軍用中、大功率高頻開關電源。

趙艷飛（1983— ），男，碩士，2008年畢業(yè)于安徽大學電氣學院，現(xiàn)工作于合肥華耀電子工業(yè)有限公司，主要研究方向為：軍用中、大功率高頻開關電源。

李善慶（1966— ），男，高級工程師，1989年畢業(yè)于東南大學無線電技術專業(yè)，現(xiàn)工作于合肥華耀電子工業(yè)有限公司，主要研究方向為：軍用中、大功率高頻開關電源、電源模塊及雷達電源系統(tǒng)。