如何設(shè)計(jì)大容量開(kāi)關(guān)電源？

在通訊、電力領(lǐng)域，要求的直流電源系統(tǒng)輸出的電流電壓各不相同。對(duì)于大容量電源系統(tǒng)，往往采用多個(gè)同一電壓等級(jí)的小容量電源模塊并聯(lián)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，但如果并聯(lián)的電源模塊太多，就不利于均流和可靠性，因此用戶迫切要求大容量電源模塊的出現(xiàn)，基于這種背景作者開(kāi)發(fā)了大容量開(kāi)關(guān)電源。目前的大容量開(kāi)關(guān)電源一般是由主電路、控制電路組成，而智能化開(kāi)關(guān)電源，往往還有微機(jī)構(gòu)成的數(shù)控系統(tǒng)--在實(shí)現(xiàn)智能化功能的同時(shí)，還對(duì)開(kāi)關(guān)電源的一些關(guān)鍵參數(shù)及各種故障信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)傳送給上位機(jī)，同時(shí)上位機(jī)的一些控制量也可通過(guò)微機(jī)系統(tǒng)對(duì)開(kāi)關(guān)電源的輸出電壓、電流進(jìn)行控制，本文采用PIC單片機(jī)作為開(kāi)關(guān)電源智能化的引導(dǎo)控制電路和主電路進(jìn)行工作。大容量開(kāi)關(guān)電源主電路中的逆變電路一般為H橋式結(jié)構(gòu)，可以采用硬開(kāi)關(guān)方式或軟開(kāi)關(guān)方式，這2種方式在國(guó)外的大容量開(kāi)關(guān)電源中都在廣泛應(yīng)用。在本電源中為了簡(jiǎn)化電路結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)工藝，采用了硬開(kāi)關(guān)技術(shù)。但是，硬開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)損耗大于軟開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)損耗，因此，要合理選擇工作頻率和損耗較小的開(kāi)關(guān)器件至關(guān)重要。如果設(shè)計(jì)合理，硬開(kāi)關(guān)技術(shù)仍然極具生命力。由于開(kāi)關(guān)電源常用的控制方法、主電路結(jié)構(gòu)形式及其相關(guān)技術(shù)已經(jīng)非常成熟，因此本文僅對(duì)大容量開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)中的幾種新技術(shù)進(jìn)行介紹：PFC技術(shù)、工作穩(wěn)定性、多電源并聯(lián)均流

2 功率因數(shù)校正電路的設(shè)計(jì)大容量開(kāi)關(guān)電源的進(jìn)線一般為三相380VAC，為了減少諧波，直流電源系統(tǒng)往往在進(jìn)線側(cè)統(tǒng)一加無(wú)源濾波。為了提高功率因數(shù)，每一電源模塊在輸入側(cè)增加了三相單開(kāi)關(guān)PFC電路。當(dāng)輸入側(cè)的交流電壓變化土20％時(shí)，整流后的直流電壓變化土20％，經(jīng)過(guò)PFC控制就可以使側(cè)直流母線電壓基本保持在670VDC，這樣在提高功率因數(shù)的同時(shí)還可以減小后級(jí)逆變變壓器的體積。三相單開(kāi)關(guān)PFC主電路一般有2種方案：(1)圖1(a)所示的主電路，其控制方式類(lèi)似于單相PFC，采用了UCl854高頻有源PFC專(zhuān)用控制芯片，三相橋式整流后的每周期6波頭電壓，分壓輸入到UCl854作為電流給定信號(hào)，UCl854通過(guò)對(duì)開(kāi)關(guān)S的通斷控制，使通過(guò)電感乙的電流也是每周期6波頭，這樣，每相的電流波形雖然不能逼近正弦波，但功率因數(shù)得到很大的提高，諧波減少。(2)如圖1(b)的電路，在三相進(jìn)線端分別加電感，當(dāng)S閉合時(shí)，三相電源通過(guò)S分別為3個(gè)電感激磁，電感電流從零線性上升；當(dāng)S關(guān)斷時(shí)，電感電流逐漸降為0，在一個(gè)載波周期里，電感電流近似為三角波，但每相的平均電流與輸入電壓成正比，進(jìn)線每相電流的峰值包絡(luò)線自然而然地形成正弦波，而且電流相位與電壓相位一致，校正了功率因數(shù)。比較圖1(a)和圖1(b)，圖1(a)中只用了一個(gè)電感，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在設(shè)計(jì)的電源中得到應(yīng)用。

3 斜波補(bǔ)償及工作穩(wěn)定性分析控制電路的是電流型雙路推挽輸出的UC3825，電源中所有的故障、啟停都可通過(guò)控制芯片的啟停來(lái)實(shí)現(xiàn)?？刂齐娐钒溯敵鲭妷?、電流控制器；電網(wǎng)輸入的過(guò)壓、欠壓、缺相保護(hù)；輸出直流電源的過(guò)壓、短路保護(hù)；散熱器的過(guò)溫保護(hù)；風(fēng)扇的智能驅(qū)動(dòng)及故障檢測(cè)；幾組模擬電壓、電流給定信號(hào)的自動(dòng)切換，微控板可以檢測(cè)到所有的信號(hào)。如果說(shuō)主電路的設(shè)計(jì)優(yōu)劣關(guān)系到整機(jī)可靠性的話，那么，控制電路將直接影響到輸出直流電源的品質(zhì)?？刂浦餍酒琔C3825為電流型器件，所有電流型PWM控制器件有一個(gè)共同的特點(diǎn)：當(dāng)反饋電流大于內(nèi)部給定電流時(shí)立即關(guān)斷所驅(qū)動(dòng)的器件。這樣，當(dāng)反饋電流的波形前沿有毛刺時(shí)很容易引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定。解決的方法有：(1)在電磁式電流互感器兩端并接電容去掉毛刺；(2)充分利用器件特性，在器件的電流輸入端和振蕩器斜波輸入端并接電容、阻容。事實(shí)證明：這兩種方法都能克服系統(tǒng)的不穩(wěn)定。根據(jù)主電路方案及性能要求，輸出電流、輸出電壓采用雙路并聯(lián)控制方式，其中電流環(huán)為比例一積分控制的單環(huán)系統(tǒng)，電壓環(huán)為雙閉環(huán)系統(tǒng)，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，外環(huán)為電壓環(huán)，采用比例一積分一微分控制方式。動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，虛線框內(nèi)是電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖。圖2中A，B分別為電流電壓反饋系數(shù)，其他參數(shù)對(duì)應(yīng)各自環(huán)節(jié)的物理量。

根據(jù)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，設(shè)計(jì)出調(diào)節(jié)器的參數(shù)，可以得到優(yōu)異的靜、動(dòng)態(tài)性能。

4 均流措施用戶要求直流電源系統(tǒng)輸出的電流各不相同。對(duì)于大電流系統(tǒng)，往往采用較小電流的電源模塊并聯(lián)集成，這就要求電源模塊并聯(lián)工作時(shí)能夠很好地均流。目前，均流方法的發(fā)展方向是自主均流，自主均流的原理如圖3(a)所示，2腳為電流取樣輸入端，經(jīng)過(guò)A1放大后輸出給A2同相放大，A2輸出的7腳正是均流母線的正端，如果當(dāng)并聯(lián)的所有電源模塊的均流母線正端接在一起、負(fù)(6腳)端全部接地時(shí)，如圖3(b)所示，那么均流母線正端的電壓值反映的是并聯(lián)各模塊中的電流值。由于二極管的單向?qū)щ娦?，只有電流的模塊中的二極管才導(dǎo)通。正常情況下，各模塊分配的電流是均衡的。如果負(fù)載等外界因素發(fā)生變化使各模塊分配的電流不均衡，那么，總有一個(gè)模塊的電流，自動(dòng)成為主模塊，其他模塊成為從模塊，通過(guò)圖3(a)的A3，A4放大器輸出端3腳的電壓值，改變各自模塊PWM控制信號(hào)寬度，跟蹤主模塊的電流基準(zhǔn)，以達(dá)到與主模塊均流的目的。UC3902是較好的均流器件，圖3(a)的管腳與UC3902一致。在使用中需要注意的是第5腳要接電阻、電容到控制地，而且電阻阻值較小，電容值較大。目的是為了使均流調(diào)節(jié)慢于電壓環(huán)、電流環(huán)的調(diào)節(jié)，否則，可能導(dǎo)致電源系統(tǒng)不穩(wěn)定。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及結(jié)論通過(guò)對(duì)3臺(tái)20A／200V和1臺(tái)30A／220V電源的測(cè)試，其性能如表1所示。

從性能指標(biāo)及測(cè)試結(jié)果可以看出，整個(gè)電源的各項(xiàng)指標(biāo)都達(dá)到了很高的水準(zhǔn)，說(shuō)明設(shè)計(jì)是合理的、先進(jìn)的。