摘要：研制一種單相輸入全橋PWM變換器、電壓電流雙環(huán)控制、納米晶磁芯高頻變壓器和全橋整流、LC濾波器組成的脈寬調(diào)制變換器型穩(wěn)壓電源。輸出電壓1～1 OOV，最大電流達(dá)1 00A，輸出紋波小于O.1%(1～100V)。實(shí)現(xiàn)了某工程試驗(yàn)點(diǎn)火對電源的要求。
0 引言
某工程試驗(yàn)點(diǎn)火裝置，為滿足狹小空間下，不同阻值爆炸橋絲的引燃工作，要求紋波小、輸出可調(diào)，體積小和高可靠的開關(guān)穩(wěn)壓電源。基本要求是輸入AC220V，輸出DC0～100V連續(xù)可調(diào)，最大輸出電流100A，低頻紋波Vrms≤O.1%，電壓調(diào)整率≤0.5%，穩(wěn)定度≤0.1%的開關(guān)電源。設(shè)計(jì)思想主要服從可靠、體積兩方面要求。在綜合分析了現(xiàn)有的軟硬開關(guān)變換器電源技術(shù)后，采用了脈寬調(diào)制變換器的形式設(shè)計(jì)，好處是簡單可靠。通過對電源的供電環(huán)節(jié)、反饋控制、吸收電路、元器件選取與制作以及工藝結(jié)構(gòu)等方面優(yōu)化設(shè)計(jì)，解決了大電流下的輸出紋波大、輸出大范圍調(diào)節(jié)下電源穩(wěn)定性差、炸管和振蕩等問題，研制出了合格的電源。
l 電源主電路
電源主電路如圖1所示。電源由輸入電路、變換器、直流輸出和控制驅(qū)動(dòng)組成。輸入電路包含抑制合閘浪涌的延時(shí)電路、EMI過濾器、單相整流器和濾波電容器組。變換器采用脈沖寬度調(diào)制“H”橋拓?fù)?。高頻變壓器、橋式整流器、電感器和電容器組構(gòu)成直流電壓輸出電路?？刂齐娐防肞WM調(diào)節(jié)輸出電壓電流方案。
1)輸入電路
輸入電路由輸入延時(shí)啟動(dòng)、EMI濾波器、橋式整流電路B1和濾波電容器組C1構(gòu)成。延時(shí)啟動(dòng)使用繼電器方式，以減小電源合閘瞬間對濾波電容器組C1的電流沖擊。電容器選用CDE公司的DCMCE型逆變器專用輸入濾波電容器。整流橋選擇TECHSEM公司的MDQ75單相整流橋模塊。由于電源每次工作時(shí)間很短暫及體積的限制，輸入電路中沒有加入功率因數(shù)校正電路。
2)變換器和驅(qū)動(dòng)電路
變換器采用脈寬調(diào)制的“H”橋拓?fù)?，它由四只IGBT(VT1一VT4)組成。工作時(shí)，其輸出在1～60μs變化脈沖寬度。IGBT選用三菱公司的CM75BU一12H單相全橋模塊，好處是每只IGBT開關(guān)特性的一致性好，無須考慮電路的平衡問題。對于驅(qū)動(dòng)電路，目前集成驅(qū)動(dòng)電路很多，由于它直接影響到IGBT可靠工作及可靠保護(hù)，經(jīng)比較選用了POWERXE公司基于VLA502一02的兩通道IGBT驅(qū)動(dòng)模塊BG2A。圖2是VLA502—02的原理圖，與常用混合驅(qū)動(dòng)模塊另一個(gè)同之處是它集成了DC/DC電源，無須再對每個(gè)驅(qū)動(dòng)電路單獨(dú)供電。實(shí)際使用表明，BG2A可靠性大大高于EX840等驅(qū)動(dòng)電路，從未遇到過損壞。
3)變壓器和輸出整流濾波電路
變壓器功率較大，鐵氧體磁芯難以做到，采用了鐵基納米晶帶材。與鐵氧體材料相比，鐵基納米晶帶材具有高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度、高導(dǎo)磁率和低矯頑力，使變壓器體積減小、頻響更高、效率提高。同時(shí)，加工、安裝方便、參數(shù)調(diào)整容易。由于IGBT作硬開關(guān)，工作頻率高于1 5kHz時(shí)，開關(guān)損耗成為電源主要損耗，因此，變壓器及變換器工作的頻率設(shè)計(jì)為15kHz。輸出整流二極管選用摩托羅拉MUR20020快恢復(fù)二極管。
輸出濾波電路采用LC濾波器，由于電感器的電感量和功率較大，鐵粉芯和鐵硅鋁的磁芯沒有相適應(yīng)的產(chǎn)品規(guī)格，電感磁芯采用了鐵基非晶材料。為了降低輸出紋波，電容器采用美國CED公司101型電解電容器，它的ESR(等效串聯(lián)電阻)、ESL(等效串聯(lián)電感)為目前所有品牌電解電容器中最低，且溫度范圍很寬。
4)控制與安全保護(hù)
電源是輸出電壓在0～100V間不分檔、可連續(xù)調(diào)節(jié)的直流穩(wěn)壓電源，過載保護(hù)被設(shè)計(jì)成高精度的限流保護(hù)形式，其限流值在0～100A間可連續(xù)調(diào)節(jié)。為了可靠起見，反饋控制采用了傳統(tǒng)的模擬控制，即用誤差放大器來減小輸出電壓與參考電壓的誤差。控制芯片采用TL494，設(shè)計(jì)為恒壓恒流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，兩個(gè)閉環(huán)共用一個(gè)脈寬調(diào)制實(shí)時(shí)處理，實(shí)現(xiàn)恒壓調(diào)節(jié)和恒流調(diào)節(jié)功能。TL494的兩個(gè)誤差放大器，一個(gè)用于電壓穩(wěn)定控制，一個(gè)用于電流限制。電流采樣電阻采用1 00A/75mV標(biāo)準(zhǔn)分流器。TL494用作電壓反饋和電流反饋的放大器被設(shè)計(jì)成“或”的關(guān)系。輸出電壓大小的調(diào)節(jié)，用改變電壓反饋取樣電阻的分壓比實(shí)現(xiàn)，電流限制調(diào)節(jié)的方法同樣。
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