機載高頻開關電源的設計與研制(圖)
英飛凌汽車電子生態(tài)圈
機上可供選擇的供電電源有兩種輸入方式：115V/400Hz中頻交流電源和28V直流電源。兩種輸入方式各有優(yōu)缺點，115V/400Hz電源波動小，需要器件的耐壓相對較高；而28V直流電源卻相反，一般不能直接提供給設備部件使用，必須將供電電源進行隔離并穩(wěn)壓成為需要的直流電源才能使用。機載電源的使用環(huán)境比較惡劣，必須適應寬范圍溫度正常工作，并能經(jīng)受沖擊、震動、潮濕等應力篩選試驗，因此設計機載電源的可靠性給我們提出了更高的要求。下面主要介紹115V/400Hz中頻交流輸入方式所研制的開關電源，它的輸出電壓270～380Vdc可以調(diào)節(jié)，輸出功率不小于3000W，環(huán)境溫度可寬至-40℃～+55℃，完全適應軍品級電源的需要。
系統(tǒng)構成及主回路設計
圖1所示為整機電路原理框圖。它的設計主要通過升壓功率因數(shù)校正電路及DC/DC變換電路兩部分完成。115Vac/400Hz中頻交流電源經(jīng)輸入濾波，通過升壓功率因數(shù)校正（PFC）電路完成功率因數(shù)校正及升壓預穩(wěn)、能量存儲，再通過DC/DC半橋變換、高頻整流濾波器、輸出濾波電路以及反饋控制回路實現(xiàn)270～380Vdc可調(diào)節(jié)輸出穩(wěn)壓的性能要求。
圖1整機電路原理框圖
升壓功率因數(shù)校正電路主要使輸入功率因數(shù)滿足指標要求，同時實現(xiàn)升壓預穩(wěn)功能。本部分設計兼顧功率因數(shù)電路達到0.92的要求，又使DC/DC輸入電壓適當，不致使功率因數(shù)校正電路工作負擔過重，因此設定在330～350Vdc。
隔離式DC/DC變換器電路拓撲結構形式主要有以下幾種：正激、反激、全橋、半橋和推挽。反激和正激拓撲主要應用在中小功率電源中，不適合本電源的3000W輸出功率要求。全橋拓撲雖然能輸出較大的功率，但結構相對較為復雜。推挽電路結構中的開關管電壓應力很高，并且在推挽和全橋拓撲中都可能出現(xiàn)單向偏磁飽和，使開關管損壞。而半橋電路因為具有自動抗不平衡能力，而且相對較為簡單，開關管數(shù)量較少且電壓電流應力都比較適中，故不失為一種合理的選擇。
DC/DC變換電路主要為功率變壓器設計，采用IGBT/MOSFET并聯(lián)組合開關技術和半橋電路平衡控制技術。經(jīng)過分析計算，采用雙E65磁芯，初級線圈12匝，次級繞組圈15匝。
關鍵技術設計
1功率因數(shù)校正技術和無源無耗緩沖電路
具有正弦波輸入電流的單相輸入個功率因數(shù)校正電路在開關電源中的使用越來越廣泛，圖2所示為升壓功率因數(shù)校正和無源無耗緩沖電路。
圖2功率因數(shù)校正和新型的無源無耗緩沖電路
采用無源無耗緩沖電路，元件全部采用L、C、D等無源器件，既有零電流導通特性，又有零電壓關斷特性，比傳統(tǒng)的有損耗的緩沖電路元件少30%。緩沖電路元件包括L1、C1、C2、D1、D2和D3。
可用UC2854A控制主開關SWB，其緩沖電路是不需控制的，并且具有電路簡單的特點。其原理是將二極管DB反向恢復的能量和SWB關斷時儲存在C2中的能量在SWB導通時轉移到C1中。在SWB關斷時，L1中的儲能向C2充電，并通過D1、D2、D3轉移到CB中，同時也向CB放電，用這種電路實現(xiàn)了零電壓關斷和零電流導通，有效地減少損耗，提高了電路的效率和可靠性。
該電路的主要特點是：
●開關SWB上最大電壓為輸出電壓VL。
●Boost二極管DB上最大反向電壓為VL+VE，VE值由IR、L1、C1及C2的相關值決定。
●開關SWB上最大電流上升率由L1和V1決定，并且導通損耗和應力很小。
●開關SWB上最大電壓率由C2決定，并且關斷功耗和應力很小。
●在開關周期中，為獲得電流和電壓上升率的控制而儲存在L1和C2中的能量最終又回到輸出電源中，這樣確保電路真正的無損耗工作。
2IGBT/MOSFET并聯(lián)組合開關技術
圖3所示為IGBT/MOSFET并聯(lián)組合開關電路及工作波形圖。與MOSFET相比，IGBT通態(tài)電壓很低，電流在關斷時很快下降到初始值的5%，但減少到零的時間較長，約1～1.5μs，在硬開關模式下會導致很大的開關損耗。在組合開關中，并聯(lián)MOSFET在IGBT關斷1.5μs后，拖尾電流已減少到接近零時才關斷
圖3IGBT/MOSFET并聯(lián)組合開關電路及工作波形圖
這種技術因通態(tài)損耗很低而使得DC/DC變換器的效率很高。但需工作頻率相對較低，一般選取20～40kHz。由于半橋組合開關只需兩個開關，總的開關器件的數(shù)目少，使可靠性顯著提高。
3半橋電路平衡控制技術
通過控制和調(diào)整IGBT/MOSFET柵驅動的延遲時間可使半橋平衡，避免變壓器偏磁飽和過流，燒毀開關管。這在脈沖較寬大時，很容易實現(xiàn)。但當輕載或無載時，脈寬很窄（例如小于0.3μs），此時的IGBT/MOSFET延遲已取消。因此在窄脈寬時，為保持其平衡，我們采用了一個低頻振蕩器。當脈寬小于0.3μs時，振蕩器起振使PWM發(fā)生器間歇工作，保持脈寬不小于0.3μs，以維持半橋平衡，使其在無載時能正常工作。
由于工作頻率較低，組合開關的開關損耗很小，通態(tài)損耗也很小。
圖4半橋電路平衡控制電路
4多重環(huán)路控制電路
平均電流模式控制系統(tǒng)采用PI調(diào)節(jié)器，需要確定比例系數(shù)和零點兩個參數(shù)。調(diào)節(jié)器比例系數(shù)KP的計算原則是保證電流調(diào)節(jié)器輸出信號的上升階段斜率比鋸齒波斜率小，這樣電流環(huán)才會穩(wěn)定。零點選擇在較低的頻率范圍內(nèi)，在開關頻率所對應的角頻率的1/10～1/20處，以獲得在開環(huán)截止頻率處較充足的相位裕量。
另外，在PI調(diào)節(jié)器中增加一個位于開關頻率附近的極點，用來消除開關過程中產(chǎn)生的噪聲對控制電路的干擾，這樣的PI調(diào)節(jié)器的結構如圖5所示。
圖5具有濾波功能的PI調(diào)節(jié)器
控制電路的核心是電壓、電流反饋控制信號的設計。為了保證在系統(tǒng)穩(wěn)定性的前提下提高反應速度，設計了以電壓環(huán)為主的多重環(huán)路控制技術。電流環(huán)響應負載電流變化，并且有限流功能。設計電路增加了對輸出電感電流采樣后的差分放大，隔直后加入到反饋環(huán)中參與控制，調(diào)節(jié)器增益可通過后級帶電位器的放大環(huán)節(jié)進行調(diào)節(jié)。這樣電源工作在高精度恒壓狀態(tài)下，輸出動態(tài)響應，使電源在負載突變的情況下，沒有大的輸出電壓過沖。
5提高散熱效果，降低熱阻
為了減小整機體積，達到合理的功率密度，采用了強迫風冷方式。對于風冷散熱器來說，風速的大小直接關系到散熱效果的優(yōu)劣。由于要求前后通風，在設計時應考慮：
●保證風速達到一定的要求（V=6m/s），并考慮風壓的影響。當風壓低于散熱器壓頭損失時，冷卻風根本就吹不過去或風速很低，達不到提高散熱率的目的。
●由于散熱器及翼片間隙同風道與散熱器間隙有很大差別，當風壓過低時，可以在進風口散熱器與風道的間隙間加擋流柵板或喇叭型的進口，強迫風從散熱器的翼片間流過。
升壓電感、主變壓器、輸出濾波電感成一排固定在散熱器上半部，主板固定在散熱器下半部；主板上的功率器件如功率開關管、輸出整流管通過鋼板壓條固定在散熱器上，主板上半部放質(zhì)低元器件、下半部放置高元器件，風扇放置在散熱器前中上位置并固定在前面板上，采用前進風后出風方式。
軍用高頻開關電源產(chǎn)品不但要考慮電源本身參數(shù)設計，還要考慮電氣設計、電磁兼容設計、熱設計、結構設計、安全性設計和三防設計等方面。因為任何方面哪怕是最微小的疏忽，都可能導致整個電源的崩潰，所以我們應充分認識到軍用高頻開關電源產(chǎn)品可靠性設計的重要性。
試驗結果
對設計參數(shù)進行試驗，試驗結果如圖6～8所示。
圖6DC/DC初級電壓波形（滿載）
圖7DC/DC次級電壓波形（滿載）
圖8高頻電感電流模擬器波形
從表1可以看出，測試結果符合協(xié)議的規(guī)定，其中功率因數(shù)、效率、電源調(diào)整率、負載調(diào)整率、輸出噪聲等參數(shù)優(yōu)于協(xié)議要求。
平衡，避免變壓器偏磁飽和過流，燒毀開關管。這在脈沖較寬大時，很容易實現(xiàn)。但當輕載或無載時，脈寬很窄（例如小于0.3μs），此時的IGBT/MOSFET延遲已取消。因此在窄脈寬時，為保持其平衡，我們采用了一個低頻振蕩器。當脈寬小于0.3μs時，振蕩器起振使PWM發(fā)生器間歇工作，保持脈寬不小于0.3μs，以維持半橋平衡，使其在無載時能正常工作。
由于工作頻率較低，組合開關的開關損耗很小，通態(tài)損耗也很小。
圖4半橋電路平衡控制電路
4多重環(huán)路控制電路
評論