应用在固态发射机上的高性能特种开关电源（图）

发布时间:2007/8/23 0:00:00 访问次数:466

作者：路侃张之梁陈乾宏

　　摘　要：某型号固态发射机，要求电源提供20 kW的功率，同时满足现代固态发射机对电源的高性能的要求，为此，设计运用5台40V/100A的开关电源模块以并联均流的工作方式为发射机提供电源。本文详细介绍了40V/100A开关电源模块的主要技术指标、系统组成和工作原理，给出了主要元件的设计方法，概述了选择低温器件的思路，最后给出了样机的实验结果。实验结果表明，所提出的电路方案是切实可行的。

　　关键词：固态发射机；开关电源；双闭环；耦合输出电感

一、引言

　　电子科技的进步，对发射机及其电源的体积、重量和性能提出更高的要求。固态发射机电源为多个低压大电流电源模块并联工作的形式，要求电源模块之间能够自动均流；为减少对电网的谐波干扰，减小输电导线的重量和体积，要求发射机电源有高的功率因数；为了减小发射机的体积和重量，要求电源的功率密度高、效率高；除此之外，还有一些它的特殊要求:①包含纹波的直流电压加到发射机的微波放大器上时，对放大器的输出信号产生有害的调制，这就要求发射机电源的输出纹波小；②发射机负载为大容性负载，电源在启动时需要限制输出电流值；③由于雷达发射机是射频脉冲输出，故发射机又呈现为脉冲负载，这要求电源有较快的输出动态响应；在从满载直接变换到空载时，要求电源输出电压不能有大的过冲；④电源能够在很低的温度环境下储存及工作。

　　针对上述问题，我们在前级采用了有源功率因数校正技术满足对电源功率因数的要求；选用零电压（ＺＶＳ）软开关的全桥移相电路作为主功率变换，减小了开关损耗，从而可通过提高开关频率而提高电源的动态响应和缩小电源体积；利用耦合电感作为输出滤波电感，大大减小了输出电压纹波；电压和电流双闭环的平均电流模式控制策略，自动限制输出电流值，提高电源输出动态响应，使电源在负载突变的情况下，没有大的输出电压过冲；通过对关键器件的合理选择，使电源能够在低温环境下工作。

二、电源主要技术指标

　　某设备的固态发射机，其电源最大输出功率要求为20 kW，我们采用了5台电源模块并联均流工作。电源模块的主要技术指标如下：

　　(1)电源模块为单相交流输入，为满足实际供电的需求，输入交流电压范围为220Vac+20%，-25%（即165~264 Vac）；

　　(2)电源模块的输入功率因数要求>0.98；

　　(3)电源模块的工作效率>90%；

　　(4)电源模块并联工作，模块之间的均流不平衡度：≤±3%；

　　(5)单台电源模块的最大输出为：40 V/100 A；

　　(6)单台电源模块的功率密度：≥0.28 mW/mm3；

　　(7)单台电源模块输出最大功率时，叠加在直流电压上的纹波电压的峰峰值：<50 mV；

　　(8)电源模块在空载开机时，输出会产生超过额定电压值的瞬时过冲，此过冲值：<1 V；

　　(9)电源模块的负载从满载（指最大输出电流Io=100 A）突然跌落到空载，输出会产生超出额定电压值的瞬时过冲，此过冲值：<1 V；

　　(10)电源储存的环境温度为 -50℃～+65℃；电源工作的环境温度为-40℃～+55℃。

三、电源模块的系统组成和工作原理

　　电源模块的系统组成框图如图1所示。下面分别介绍各个功能部分的电路。

1.电源的前级

　　电源的前级电路，包括输入EMI滤波、整流电路、输入软启动电路及APFC电路。

　　我们选用了综合性能较好、应用较为成熟的Boost型APFC电路，结合电源的功率等级、技术要求，使电路设计工作在连续模式。我们采用工业级的芯片UC2854来实现控制电路的功能。由于APFC电路的初级稳压功能，减小了后级DC/DC功率变换器的设计压力，极大提高电网的输入电压范围。

　　基本的Boost-APFC主电路如图2所示，其中Q是主开关管，D是二极管，C1和C2是输出电容，L是APFC电路的升压电感。为防止加电时，升压电感L与输出电容发生谐振而使电感饱和或电容过压，应在单相整流桥到PFC电路输出电容之间加入二极管Dr，因而加电瞬间，输入电压不需经升压电感，可直接经二极管Dr给C1和C2充电、建压。

2．DC-DC变换电路

　　DC-DC功率变换器如图3所示，主电路的拓扑为ZVS软开关全桥变换器。其中Q1～Q4是4只主开关管，D1～D4分别是Q1～Q4的内部寄生二极管，C1～C4分别是Q1～Q4的寄生电容，Lr是谐振