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" title="紋波">紋波小,、輸出可調(diào),，體積小和高可靠的開關(guān)穩(wěn)壓電源?；疽笫禽斎階C220V,，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" title="開關(guān)電源">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" title="變換器">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(jiǎn)單可靠,。通過對(duì)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)洹８哳l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(duì)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)洌伤闹籌GBT(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(duì)于驅(qū)動(dòng)電路" title="驅(qū)動(dòng)電路">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(duì)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。
2 輸出電壓紋波
抑制電源輸出電壓中的低頻交流紋波和開關(guān)噪聲紋波的關(guān)鍵是找到成因,，再確定處理方案,。通常是從器件和電路兩方面解決。
1)尖峰噪聲的抑制
尖峰噪聲產(chǎn)生于晶體管ON／OFF的瞬間,。為抑制尖峰噪聲,，選取ESR、ESL低的電容器和具有軟恢復(fù)特性的二極管,，通過C4～C7和R4～R7對(duì)二極管開關(guān)時(shí)的尖峰進(jìn)行抑制,。另外，在二極管套入非晶磁珠,，對(duì)尖峰抑制效果大大好于RC電路,，但發(fā)熱太大，未被采用,。對(duì)于IGBT母線電感引起的尖峰,，通常的LCR吸收電路比較復(fù)雜，參數(shù)不易協(xié)調(diào),。由于變換器是采用H橋模塊,，母線很短,，所以只用C2完成尖峰吸收。R2和R3吸收變壓器漏感引起的尖峰,。使開關(guān)波形瞬間產(chǎn)生的尖峰電平只比直流電平稍高一些,，大大減輕了IGBT上的尖峰噪聲。C2,，C3選用CDE公司的930型聚丙烯薄膜無感電容器,。
2)輸出紋波的抑制
開關(guān)電源中低頻交流紋波一般的說法是從交流電網(wǎng)引入的，輸出濾波器無法濾除,，主要靠系統(tǒng)閉環(huán)負(fù)反饋來抑制,，但這極易引起電路振蕩，損壞IGBT,。事實(shí)上在供電容量足夠,，輸入濾波合適的情況下，測(cè)不出交流輸入帶給直流輸出的紋波,。由于開關(guān)電源電路中諧波豐富,，以致引起低頻紋波的原因很多：工藝結(jié)構(gòu)方面，如布線不當(dāng),；器件的原因，如電容的ESR,、電感參數(shù)(取直,，氣隙，磁芯的選擇),；元件間的配合,，如L與C的乘積值等。尤其電感器對(duì)電源的穩(wěn)定性和輸出紋波影響,。其中防飽和氣隙是電感器在輸出引起低頻紋波重要原因,，常常不易判斷，這個(gè)紋波的頻率隨氣隙的大小而變,，范圍在幾百赫茲內(nèi),。幅度大小與輸出電壓的值有一定關(guān)系，且不成比例,，如圖3所示,。但電感磁芯沒有氣隙，又易飽和,。非閉合磁芯,，又使體積變很大，相對(duì)而言,，設(shè)計(jì)了功率容量放大,，不開氣隙的磁芯,，使問題解決。
3 結(jié)束語
經(jīng)有關(guān)計(jì)量單位對(duì)電源進(jìn)行的正式測(cè)試,，無論是空載還是負(fù)載,，輸出電壓在1～100V變化時(shí)，相應(yīng)紋波在0．6～50mV之間,，電源的其它工作和指標(biāo)也都達(dá)到要求,。電源在工程現(xiàn)場(chǎng)順利地通過了工程控制系統(tǒng)自運(yùn)行、發(fā)火引爆試驗(yàn),、測(cè)控系統(tǒng)聯(lián)試,、發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火熱試車等工作的考核驗(yàn)證，已正式投入使用,。這表明高功率調(diào)寬變換器型穩(wěn)壓電源可以很好的做到寬范圍的連續(xù)可調(diào)和超低紋波要求,，拓寬了高功率普通硬開關(guān)電源的用途。