38V/100A可直接并联大功率AC/DC变换器

2007-03-09 19:03:27来源: 互联网
摘要:介绍了一种38V/100A可直接并联的大功率AC/DC变换器。采用了有源功率因数校正技术以实现系统的高功率因数。DC/DC主电路采用电流型PWM芯片UC3846控制的半桥变换器,并提出了一种新的IGBT驱动电路。为了满足电源直接并联运行的需要,设计了以均流芯片UC3907为核心的均流电路。 关键词:大功率;半桥变换器;功率因数校正;均流 引言 随着电力电子技术的发展,电源技术被广泛应用于计算机、工业仪器仪表、军事、航天等领域,涉及到国民经济各行各业。特别是近年来,随着IGBT的广泛应用,开关电源向更大功率方向发展。研制各种各样的大功率,高性能的开关电源成为趋势。某电源系统要求输入电压为AC220V,输出电压为DC38V,输出电流为100A,输出电压低纹波,功率因数>0.9,必要时多台电源可以直接并联使用,并联时的负载不均衡度<5%。 图1 UC3854A/B控制的有源功率因数校正电路 设计采用了AC/DC/AC/DC变换方案。一次整流后的直流电压,经过有源功率因数校正环节以提高系统的功率因数,再经半桥变换电路逆变后,由高频变压器隔离降压,最后整流输出直流电压。系统的主要环节有DC/DC电路、功率因数校正电路、PWM控制电路、均流电路和保护电路等。 1 有源功率因数校正环节 由于系统的功率因数要求0.9以上,采用二极管整流是不能满足要求的,所以,加入了有源功率因数校正环节。采用UC3854A/B控制芯片来组成功率因数电路。UC3854A/B是Unitrode公司一种新的高功率因数校正器集成控制电路芯片,是在UC3854基础上的改进。其特点是:采用平均电流控制,功率因数接近1,高带宽,限制电网电流失真≤3%[1]。图1是由UC3854A/B控制的有源功率因数校正电路。 图2 主电路拓扑图 该电路由两部分组成。UC3854A/B及外围元器件构成控制部分,实现对网侧输入电流和输出电压的控制。功率部分由L2,C5,V等元器件构成Boost升压电路。开关管V选择西门康公司的SKM75GB123D模块,其工作频率选在35kHz。升压电感L2为2mH/20A。C5采用四个450V/470μF的电解电容并联。因为,设计的PFC电路主要是用在大功率DC/DC电路中,所以,在负载轻的时候不进行功率因数校正,当负载较大时功率因数校正电路自动投入使用。此部分控制由图1中的比较器部分来实现。R10及R11是负载检测电阻。当负载较轻时,R10及R11上检测的信号输入给比较器,使其输出端为低电平,D2导通,给ENA(使能端)低电平使UC3854A/B封锁。在负载较大时ENA为高电平才让UC3854A/B工作。D3接到SS(软启动端),在负载轻时D3导通,使SS为低电平;当负载增大要求UC3854A/B工作时,SS端电位从零缓慢升高,控制输出脉冲占空比慢慢增大实现软启动。 2 DC/DC主电路及控制部分分析 2.1 DC/DC主电路拓扑 在大功率高频开关电源中,常用的主变换电路有推挽电路、半桥电路、全桥电路等[2]。其中推挽电路的开关器件少,输出功率大,但开关管承受电压高(为电源电压的2倍),且变压器有六个抽头,结构复杂;全桥电路开关管承受的电压不高,输出功率大,但是需要的开关器件多(4个),驱动电路复杂。半桥电路开关管承受的电压低,开关器件少,驱动简单。根据对各种拓扑方案的工程化实现难度,电气性能以及成本等指标的综合比较,本电源选用半桥式DC/DC变换器作为主电路。图2为大功率开关电源的主电路拓扑图。 图3 PWM控制及驱动图 图2中V1,V2,C3,C4和主变压器T1组成半桥式DC/DC变换电路。IGBT采用西门康公司的SKM75GB123D模块,工作频率定在30kHz。高频变压器采用国产铁氧体EE85B磁芯,原边绕组匝数为12匝,副边两个绕组均为6匝,变压器无须加气隙。在绕制变压器时采用“三段式”方法绕制,以减少变压器的漏感[3]。整流二极管采用快速二极管,以减小其反向恢复时间对输出的影响。R1,C1,R2,C2为并在IGBT两端的吸收电路。R5及C6和R6及C7为并在快恢复二极管两端的吸收电路。R3和R4起到保证电容C3及C4分压均匀的作用。CT为初级电流检测用的电流互感器,作为电流控制时的电流取样用。为了防止电源在运行过程中产生偏磁,在原边绕组串联隔直电容C5,阻断与不平衡伏秒值成正比的直流分量,平衡开关管每次不相等的伏秒值。C5采用优质CBB无感电容。变压器的副边采用全波整流加上两级L—C滤波以满足低输出纹波的要求。电阻R7及R8为输出电压反馈采样电阻。 2.2 PWM电路及IGBT的驱动 系统的PWM部分采用电流型控制芯片UC3846组成波形产生电路[4]。图3是大功率开关电源的PWM控制的电气原理图。 R1和C2组成UC3846的振荡器,振荡频率为f=2.2/R1C2。为了防止两路开关管的互通,要设定两路输出都关断的“死区时间”,它由振荡锯齿波的下降沿决定。从脚8经R2及C1到脚4(SEN+)作为UC3846电流控制的斜坡补偿,以有效地防止次谐波振荡。主电路电流信号经电流互感器CT,桥式整流和阻容滤波后作为UC3846的电流反馈信号。UC3846对电流放大器的输出电压脉冲与最大电流限制值(由脚1电压和电压误差放大器的输出电压确定)逐个地进行比较,当脉冲开关电流超过最大电流限制时,UC3846将封锁输出脉冲,限制了开关电源的最大输出电流。C5为实现软启动的电容。UC3846的脚1电位低于0.5V时无脉宽输出,在脚1接电容到地,开机后随着电容的充电,电容电压高于0.5V时有脉宽输出,并随着电容电压的升高脉冲逐渐变宽,完成软启动功能。 IGBT是一复合功率器件,集双极型晶体管和功率MOSFET的优点于一体,具有电压型控制,开关损耗小,通断速度快,工作频率高,器件容量大等优点,很适合用于大功率电源变换器中,因此,近年来IGBT技术得到了迅猛的发展[5]。专门用于IGBT的驱动电路很多,如富士公司的EXB841及EXB651系列,三菱公司的M57959L系列。它们都具有开关频率高,驱动功率大,过流过压保护等优点,但必须要有专门的驱动电源,因此,导致设备整体成本提高。脉冲变压器也可以作为IGBT的驱动,它有体积小,价格低,不需要额外的驱动电源的优点,但是直接驱动时,脉冲的前沿与后沿不够陡,影响IGBT的开关速度。图3所采取的驱动电路具有开关频率高,驱动功率大,结构简单,且具有负压关断的特点。V1-V4,D2-D5构成了脉冲变压器的驱动电路,适用于驱动大功率的IGBT。D1和D6有利于V1-V4的关断。当PWM1为高,PWM2为低电平时,V1和V4导通;当PWM1和PWM2均为低电平时,变压器中由于漏感储存的能量通过D3和D4进行续流,使A点电位降至-0.7V,虽然这时PWM1为低电平但V1再次导通,则V1处于高频通断状态而容易烧毁。PWM2由高电平向低电平转换时V2存在同样情况。加入D6可以使续流时A点电位钳制在0V,从而有利于V1或V2的关断。同理D1的作用是利于V3或V4的关断。 2.3 均流环节设计 并联运行是电源技术的发展方向之一。欲使开关电源并联运行,做到各电源模块之间的“均流”是关键。常用的均流方法有外特性下垂法、主从电源设置法、外部电路控制法、平均电流法、最大电流法[6]。分析各种均流方法可知,下垂法虽然简单易行,但负载效应指标较差,均流精度太低;主从设置法和平均电流型自动均流法都无法实现冗余技术,因为,一旦主电源出故障,则整个电源系统都不能正常工作,使电源模块系统的可靠性得不到保证;外控法的控制特性虽好,但需要一个附加的控制器,并在控制器和每个单元电源之间有许多附加连线;而最大电流自动均流法依据其特有的均流精度高,动态响应好,可以实现冗余技术等性能,越来越受到开发人员的青睐。UC3907是Unitrode公司根据最大电流法设计的均流控制芯片。图4是采用UC3907设计的电源并联运行时的均流环节。 系统采用霍尔电流传感器来检测主电路输出电流。霍尔传感器的输出经分压与UC3907的脚2电流检测相连。脚11为电压反馈端,输出端分压得到的电压与UC3907内部的电压放大器所接的基准电压(2.0V~2.1V)相比较后,输出经驱动放大器作为系统UC3846的电压反馈。脚15接均流母线。UC3907内部的电流放大器将检测到的电流信号放大20倍与均流母线上的信号比较。若大于均流母线上的信号,则母线上的电压将由该电源决定,即“主控”;若调节器的输出电流小于母线上的电流信号,即“辅控”时,调节器使电压放大器的基准电压升高100mV,强迫系统的反馈电压减小,通过UC3846的调节使该电源输出电压增加,从而自动平衡电流。在试验过程中出现主辅控状态来回切换的情况。分析其原因发现,当在“辅控”状态时,电流调节器使基准电压升高100mV的同时会使电流增大,当电流大于母线电流信号时,致使该模块变为“主控”。而在下一次调节时又变为“辅控”。这样,就在主辅控状态之间来回变化,造成系统并联不稳定。我们在脚14和脚6之间接一个电阻R3,使基准电压在升高时小于100mV,该模块的输出电流略微增加,不至于成为“主控”模块。如果电阻选取得适当,既能保证电源模块并联均流又不会发生主控、辅控交替现象。 2.4 保护电路设计 对于DC/DC电源产品都要求在出现异常情况(如过流、过载、过/欠压)时,系统的保护电路工作,使变换器及时停止工作。但各种情况下的保护又不尽相同。一般说来,在过载、过流时,保护电路要动作且不需要自动恢复;而过/欠压则不同,在过/欠压情况解除后要求系统能够重新工作。图5是系统的保护电路(主要是控制UC3846来停止半桥变换器工作)。UC3846的脚16(SHTDN)为关断控制脚。当出现过/欠压(或过流、过载)时,可使U1(或U2)导通,D1(或D2)导通,则脚16为高电平使UC3846关断,封锁输出脉冲。不同的是,过/欠压电路使UC3846的脚1经三极管V1接地。当发生过/欠压时,D1导通使脚16为高电平,在UC3846关断的同时,V1导通,将UC3846内部脚16所接的晶闸管短接,使其承受负压关断。这样在过/欠压解除后UC3846能够重新输出脉冲使变换器工作。而在过流、过载情况出现时C3846封锁输出脉冲,在封锁解除时脉冲不能恢复。 3 各部分电路波形 研制成功的试验样机,在稳态运行时的各部分波形如图6及图7所示。 4 结语 所制作的工程样机,已经通过性能测试。该系统具有输入过、欠压,输出过流保护等功能,输出电压的电源调整率不大于1%,负载调整率不大于1%,输出电压纹波小于50mV,功率因数大于0.9,并联运行时均流精度控制在5%以内,满足设计要求。
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