电力操作电源主电路参数设计

2006-06-22 16:21:43来源: 电子设计应用网
引言

随着力电子技术的发展,移相全桥软开关控制技术逐渐应用于电力操作电源中,因为它不但可以减少电源的开关损耗、电磁干扰,还能改善电路的输出特性,提高电路的效率、稳定性和可靠性。在移相全桥软开关电力操作电源研究中,涉及了很多方面,如主电路的参数选择与设计、控制电路的设计、防电磁干扰的设计以及参数的影响等,本文在此只分析电力操作电源主电路参数设计。


图1  操作电源模块原理框图

电力操作电源工作原理

本电源模块的原理框图如图1所示,三相交流输入电源经输入三相整流、滤波变换成直流,全桥变换电路再将直流电变换成高频交流电,然后经高频变压器变压隔离、经整流器整流、滤波器滤波转换成稳定的直流输出。电源主电路采用移相ZVS全桥软开关变换电路,每一个桥臂采用两个功率管并联。

该变换器在一个变换周期内共有12种工作状态,4个开关管轮流导通,实现零电压开通和零电压关断,从而降低了功耗。同时为了抑制直流分量,采用了隔离电容;为了减小占空比,采用了饱和电感,使电源工作更加可靠。

电源主电路参数的设计

电路设计主要指标

1. 输入三相交流电压:
 
2. 输出直流额定电压:220V,在180V~320V范围内连续可调
3. 输出电流:10A
4. 输出最大功率:3200W
5. 输出纹波系数:≤0.2%
6. 工作频率:34KHz
7. 综合效率:≥90%

输入滤波电容的选择

大功率开关电源采用三相380V交流电输入,经全桥整流后得到脉动的直流电压,输入滤波电容Cin用来平滑这一直流电压,使其脉动减小。

相电压有效值:
 =304V-437V
为了保证整流滤波后的直流电压最小值Vin(min)符合要求,每个周期中Cin所提供的能量约为:

经整理后,可得输入滤波电容为:


谐振电感的设计

设计谐振电感时,为了实现滞后桥臂的零电压开关,必须满足下式:

其中,Lr是谐振电感,I是滞后开关管关断时原边电流的大小,CMOS是开关管漏-源极电容,Vin是整流滤波后的直流电压。

在实际设计中,考虑到滞后管在1/3满载以上时实现零电压开关,Vin应取最大值,同时,负载电流为1A时,滤波电感的电流ILf临界连续,也就是说,其脉动量ΔiLf为2A。在1/3负载时,

(A),开关管IXFX2780Q的漏-源电容CMOS=750pF,Vin(max)=618V,Lr=39μH。

本谐振电感磁芯选用西门子公司的G42型号罐型磁芯,取气隙δ=2mm,那么根据公式:

式中:μ0是导磁率,大小为4π×10-7H/cm;Ae为磁芯的导磁截面积,大小为388mm2。将μ0、Ae和δ代入式上式,可得:绕组匝数N=4。实际中,用6根线径0.62mm的导线绞结绕制而成。

高频变压器设计

1. 主变压器原副边变比
设计高频变压器时,原副边变比应尽可能大一些,同时,变压器的变比应按最低输入电压Vin选择。这里假设副边的最大占空比为0.85,则可计算出副边电压VS(min)的大小:

其中,Vo(max)是最高输出电压;VD是输出整流二极管的通态压降;VLf是输出滤波电感上的直流压降。
故变压器原副边变比为:

2. 磁芯的材料选择
变换器中,高频变压器传递的是频率为34KHz以上的前沿陡峭的高频方波电压。因此,变压器磁芯采用的是西门子公司生产的N27系列铁氧体材料。由于本电源输出功率为2.2kW,根据磁芯规格和功率关系,可采用PM74型号的磁芯。根据B~H温度特性曲线,在本设计中选用的最大工作磁通密度BM为:

3. 原边和副边匝数
选定N27系列的PM74型号磁芯后,则副边就可以由下式确定:

式中Ae为磁芯的有效导磁截面积。

查手册可知,Ae=790mm2,Vs(min)=Vin(min)/K=396V,所以可得出Ns=20,采用Ns=21,根据变比K=1,同时根据应使变压器变比最大的原则,取原边匝数Nf=23。

4. 确定变压器绕组导线线径和股数
确定绕组的导线线径时,应使用电流有效值:

同时,也要考虑导线的集肤效应,在34KHz频率下,穿透深度Δ=0.35mm,因此,绕组应选用线径小于0.70mm的铜导线。若电流密度取4A/mm2,则导线截面积为:

查表,可选用6根线径为0.62mm、截面积为0.3019mm2的导线绞结绕制。同时,因变压器原边和副边都是一组绕组,变比为1,即原边也用6根线径为0.62mm的导线绞结绕制而成。

5. 校核窗口面积
因为Nf=23,Ns=21,A1=6×0.62=3.7mm2=A2,可以估算窗口面积S0≥790mm2(磁芯面积),可得占空系数Km为:

这说明所设计的变压器的窗口面积能容纳所有绕组。

输出电感的设计

从输出滤波器侧来看,PWM 型DC/DC全桥变换器实际上类似于一个降压变换器,只不过它的工作频率为开关频率的2倍。因此,在设计PWM 型DC/DC全桥变换器的输出滤波电感和输出滤波电容时,可以选用降压变换器的计算公式,但要将其开关频率fs改变为2fs。输出电感可按下式计算:

本电源输入电压最高为618V,输出电压最低为180V,设Vlf+VD≈5V时,经计算:Lf=920μF。

                
     (1-Ip:2A/div  2-Up:200V/div  t:10us/div)   (1-Is:2A/div  2-Us:200V/div  t:10us/div)
           图2  变压器初级电流/电压波形               图3  变压器次级电流/电压波形

输出滤波电容的选择

根据实际要求,纹波系数要≤0.2%,由于本电力操作电源额定输出电压为220V,则输出电压的纹波副值ΔVout<0.44V,考虑到功率开关管开/关和输出整流二极管开/关时造成的电压尖峰以及直流母线电压残留的纹波,可令输出电压的交流纹波为:=100mV,而Io=10A,最小的输出电容可用下式计算:

Io:输出电流;△Vout:允许的输出电压纹波峰峰值;f:工作频率。

这样算出的电容值是最小值,考虑到实际需求,选择560mF/400V的输出滤波电容。

主功率器件和
输出整流二极管的选择

通常,开关管和整流二极管的选取取决于它的电压应力与电流应力。依据输入最高电压时输出最大电流的要求来确定其电压与电流等级,并预留1.5~2倍的电压和2~3倍的电流裕量。由于整流滤波后的直流电压最大值为618V,变压器原边电流最大值为Ip=12A/K=12A,所以功率管采用IXYS公司生产的IXFX27N80Q功率管,额定电压为800V,额定电流为27A。

因为变压器副边采用全桥整流电路,整流管上承受的最大反向电压为VVD=618V,而整流管流过的最大电流为:I0VDmax≥2I0max=24A,所以选取IXYS公司生产的DSEI30二极管,能承受的最高电流为26A(高于2倍的输出额定电流),最大反向电压1200V。

实验结果及分析

为了考察选择的参数是否达到了设计的要求,本文利用TDS3012记忆示波器采集了变压器初次级电压/电流波形和次级整流器输出波形进行分析。       

图2给出了输入交流电压380V,输出220V/6.5A时的变压器初级电压/电流波形。从图中可以看出,初级变压器的电压波形很纯净,原边电流也因为有谐振电感的存在,没有了传统硬开关变换器所出现的开通电流尖峰。同时,原边电流在上冲或者下冲时斜率很大,很快上升到负载电流,说明谐振电感此时几乎处于饱和状态,导致占空比丢失大大减小。

图3给出了输入交流电压380V、输出为220V/6.5A时的变压器次级电压/电流波形。从图中可以看出,副边电流波形很纯净,并且在换向时,尖峰也没有原边电流那么大。同时,副边电压有少许振荡,这是由输出整流管的反向恢复和变压器的副边漏感造成的。

图4是次级整流器输出电压波形,由图中可以看出,次级回路输出电压几乎没有后沿尖峰,这也从侧面说明了主变压器漏感较小,以及磁芯用PM型可以减少漏磁。

结语

在电力操作电源的研究中,主电路的设计对整个电源的性能起非常重要的作用。经实际测量得知,利用上述设计方法对主电路进行设计,整个电源的性能稳定,输出电压尖峰大大减小,效率较高。

关键字:移相全桥软开关  

编辑: 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/designarticles/power/200606/4618.html
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