文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2015.09.035
中文引用格式： 李雪艷,，李洪文，劉洋,，等. 望遠(yuǎn)鏡用大功率智能開關(guān)電源控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,，2015，41(9)：128-131.
英文引用格式： Li Xueyan,，Li Hongwen,，Liu Yang，et al. Study of intelligent high power switching power source system used in the telescope shaft drive power system[J].Application of Electronic Technique,，2015,，41(9)：128-131.
0 引言
望遠(yuǎn)鏡是綜合光學(xué),、精密機(jī)械和精密控制的最新成果，高性能望遠(yuǎn)鏡除了有好的光學(xué)系統(tǒng),，還要有穩(wěn)定的,、高精度的軸系驅(qū)動電源[1]。望遠(yuǎn)鏡軸系驅(qū)動功率電源先后經(jīng)歷了相控電源,、線性電源和開關(guān)電源,。相比于相控電源和線性電源，開關(guān)電源具有如下優(yōu)勢：功率轉(zhuǎn)換效率高,，可達(dá)90%以上,；變壓器工作在高頻狀態(tài),，體積和重量遠(yuǎn)小于工頻變壓器，整機(jī)的功率密度大幅度提高,；穩(wěn)壓范圍寬,，對電網(wǎng)電壓具有很強(qiáng)的適應(yīng)性；輸出濾波電容,、電感小,，因而體積小，重量輕,，動態(tài)響應(yīng)快[2],，逐步成為電源系統(tǒng)的主流。隨著開關(guān)電源電路拓?fù)?、控制理論的逐漸成熟,，以及在功率開關(guān)器件、大功率磁性元件,、高耐壓絕緣材料等方面的快速發(fā)展,，開關(guān)電源開始逐步應(yīng)用在大功率、高電壓電源領(lǐng)域并取得了迅速發(fā)展[3],。
隨著科技的發(fā)展,，望遠(yuǎn)鏡軸系驅(qū)動功率電源越來越向著高頻化、智能化,、集成化方向發(fā)展[4],。因此，將大功率智能開關(guān)電源應(yīng)用于望遠(yuǎn)鏡軸系驅(qū)動領(lǐng)域具有非常重要的意義,。本文是根據(jù)望遠(yuǎn)鏡主軸系驅(qū)動用功率電源的應(yīng)用特點(diǎn),，設(shè)計(jì)了一種大功率智能開關(guān)電源，輸出電壓直流40 V～140 V連續(xù)可調(diào),，輸出最大電流為60 A,，并采用智能接口將開關(guān)電源與上位機(jī)相連，通過上位機(jī)對開關(guān)電源進(jìn)行控制,。開關(guān)電源輸入具有過欠壓保護(hù),，輸出具有過壓保護(hù)、過流保護(hù),、欠壓保護(hù),、過溫保護(hù)等特點(diǎn)進(jìn)一步增加了電源的可靠性。
1 電源主電路介紹
開關(guān)電源是基于硬件的產(chǎn)品,，開關(guān)電源的硬件設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)過程中最重要的部分,。開關(guān)電源的功能框圖如圖1所示。
電源采用單相輸入,，為適應(yīng)大功率電源的高頻特性,，主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用通態(tài)阻抗小的大功率IGBT組成全橋逆變電路,。PWM控制芯片采用SG2525。開關(guān)電源電路圖如圖2所示,。
1.1 輸入部分介紹
開關(guān)電源的輸入電壓為單相輸入交流220 V,，輸入濾波電容具有濾波、保持輸出電壓及抑制噪聲等多重作用,。應(yīng)用時一般按照輸入電能功率每10 kVA選1 000 μF[5],。因電容具有儲能作用，電源停止工作后,，需將電容能量泄放,。因此，在電容兩端并聯(lián)放電電阻,。
上電伊始,，單相交流電輸入至整流橋,，經(jīng)其整流后輸入濾波電容,。由于此時濾波電容兩端電壓為零，其等效阻抗很小,，易形成很大的浪涌電流,，導(dǎo)致整流橋器件損壞或?yàn)V波電容使用壽命降低，因此在輸入端設(shè)計(jì)軟啟動電路[6],，如圖2的K1和RV1,。
1.2 功率級介紹
拓?fù)潆娐凡捎眠m合大功率開關(guān)電源的全橋結(jié)構(gòu)[7]。由于本電源輸出功率較大,，為降低通態(tài)損耗,、提高電源整機(jī)效率，主功率開關(guān)器件選擇通態(tài)阻抗小的大功率IGBT,。同時還有輸出短路,、過流、過溫及過欠壓保護(hù)功能,，大大提高了開關(guān)電源工作的可靠性,。
高頻變壓器是開關(guān)電源最重要的元件，起著原副邊電壓隔離和能量轉(zhuǎn)換的作用,。開關(guān)電源的輸出電壓為直流40 V～140 V,，變壓器采用如圖2所示的中間抽頭型變壓器。變壓器的匝數(shù)比為：
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其中,，Vi min為交流輸入最小電壓（V）,，取176 V；Dmax為控制最大占空比(%),，取40%,；V0 max為輸出最大直流電壓(V),，取140 V。主變壓器的副邊電路可采用圖3所示的BUCK降壓電路,。
開關(guān)電源的主開關(guān)頻率為20 kHz,，變壓器次級輸出直流電壓150 V，整流后電壓頻率為40 kHz,，次級等效電路為BUCK電路,，輸出濾波電感為200 μH，輸出濾波電容為4 500 μF,，等效電阻為15 mΩ,，負(fù)載電阻為2 Ω，輸出電壓為40 V,，PWM振蕩斜坡電壓1.32 V～3.72 V,，電壓變化范圍可計(jì)為2.5 V，即調(diào)制器峰峰值VOSC為2.5 V,。
功率級部分傳遞函數(shù)為：
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電源系統(tǒng)的Bode圖和階躍響應(yīng)如圖4所示,。當(dāng)前系統(tǒng)的超調(diào)較大σ=76%，調(diào)節(jié)時間較長,，根據(jù)奈奎斯特采樣定理,，要使系統(tǒng)保持穩(wěn)定，需fc<<1/2開關(guān)頻率,，否則會有很大的開關(guān)紋波,。且系統(tǒng)的零點(diǎn)fz和極點(diǎn)fP要保持適當(dāng)?shù)木嚯x。fz和fP相距越遠(yuǎn),，系統(tǒng)相位裕量越大,，低頻增益越少，低頻紋波衰減越大,，同時高頻增益增加,，通過的高頻窄噪聲幅值增大。根據(jù)奈奎斯特穩(wěn)定性判據(jù),，系統(tǒng)穩(wěn)定時,，系統(tǒng)的開環(huán)增益在穿越頻率附近的增益斜率最好為-1（-20 dB/10倍頻程）。-1增益斜率的相位曲線相位延遲較小且變化較緩,，在系統(tǒng)某些環(huán)節(jié)的相位變化被忽略的情況下,，也可保證系統(tǒng)的相位曲線具有足夠的相位裕量，使系統(tǒng)保持穩(wěn)定,。故需在控制電路加入電壓環(huán)補(bǔ)償器,。
2 控制環(huán)路設(shè)計(jì)
控制環(huán)路是整個開關(guān)電源的核心，其設(shè)計(jì)是否合理與開關(guān)電源的可靠性密切相關(guān),。
2.1 PWM產(chǎn)生電路
SG2525系列的PWM集成電路滿足現(xiàn)開關(guān)電源所要求的性能日益改進(jìn)和外部零件數(shù)降低,。因此,，開關(guān)電源PWM控制電路采用SG2525作為核心芯片。SG2525輸出兩路相位相差180°的驅(qū)動信號,，防止上下IGBT管的直通,。SG2525的原理框圖如圖5所示。
SG2525在CT和放電終端間加入電阻以提供廣泛的死區(qū)調(diào)整時間,。內(nèi)置只有一個外部定時電容的軟啟動電路,。通過脈沖PWM波下降沿提供瞬時關(guān)閉及在長時間下降沿時啟動軟啟動功能。在欠壓狀態(tài)下,，這些功能也可發(fā)揮作用來減少軟啟動電容和輸出損耗,。
2.2 電壓環(huán)路設(shè)計(jì)
電壓環(huán)路選擇如圖6所示的補(bǔ)償電路，選擇補(bǔ)償器的零點(diǎn)為f1=159 Hz,，極點(diǎn)為f2=13.27 kHz,，電壓環(huán)路的傳遞函數(shù)為：
零點(diǎn)為：
加電壓補(bǔ)償環(huán)路校正后系統(tǒng)的開環(huán)Bode圖和階躍響應(yīng)如圖7。
由圖7與圖4知,，加電壓補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)后,，新增的高頻極點(diǎn)可削弱系統(tǒng)的高頻增益，降低高頻開關(guān)噪聲,；低頻極點(diǎn)可維持低頻有效增益來減少輸出平均電壓的穩(wěn)態(tài)誤差[8],。且系統(tǒng)的開環(huán)增益在穿越頻率附近的增益斜率為-1,，符合奈奎斯特穩(wěn)定性判據(jù),，系統(tǒng)更加穩(wěn)定。系統(tǒng)的超調(diào)減小,，調(diào)節(jié)時間變短,。
2.3 保護(hù)電路
正確恰當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)電路是保證電源正常工作的必要條件。在開關(guān)電源的輸入端,，對輸入的交流電過欠壓保護(hù)使電源模塊不因電網(wǎng)異常而損壞,。當(dāng)輸入交流電壓低于160 V時，對電源進(jìn)行欠壓保護(hù),，模塊停止工作,；當(dāng)電壓恢復(fù)到正常電壓范圍后，模塊重新開始工作,。同理,，當(dāng)輸入交流電壓高于290 V時，對電源進(jìn)行過壓保護(hù),。在開關(guān)電源的輸出端,，設(shè)計(jì)有輸出過流保護(hù)、過壓保護(hù),、限流保護(hù),、短路保護(hù)和過溫保護(hù)來保證模塊的正常工作,。
3 實(shí)驗(yàn)研究
采用上述方案設(shè)計(jì)的大功率智能開關(guān)電源具有體積小、重量輕,、電壓連續(xù)可調(diào),、輸出紋波小、效率高等優(yōu)點(diǎn),，在調(diào)試過程中工作穩(wěn)定,。
圖8為不同負(fù)載時變壓器原邊的電壓、電流值,，CH1表示電壓值,，CH3表示電流值，電流探頭5 A/V,，電壓探頭50 V/V,。由圖(a)、(b)可以看出,，當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化時,，變壓器電壓工作可靠，沒有明顯的振蕩,，變壓器電流值會隨之變化,。
由圖9和圖10可得，在100 V,、20 A時階躍響應(yīng)的上升時間為94 ms,，上升時間較快且無很大的超調(diào)。并且空載時輸出紋波的峰峰值為60 mV,，輸出紋波較小,，系統(tǒng)比較穩(wěn)定。
4 結(jié)論
采用全橋拓?fù)?、全波整流主電路,，運(yùn)用SG2525 PWM 控制芯片與IGBT模塊設(shè)計(jì)的大功率智能開關(guān)電源應(yīng)用于望遠(yuǎn)鏡軸系驅(qū)動電源系統(tǒng)可有效減少電源體積，提高電源效率,。并可提供穩(wěn)定的直流電壓,，且電壓連續(xù)可調(diào)，調(diào)節(jié)范圍寬,，可滿足不同規(guī)格的望遠(yuǎn)鏡軸系驅(qū)動電源的要求,。同時，輸出紋波小,，保證了望遠(yuǎn)鏡軸系驅(qū)動功率電源的穩(wěn)定度,。各種保護(hù)措施的正確設(shè)計(jì)提高了整機(jī)的可靠性，減少了對電網(wǎng)的干擾。
參考文獻(xiàn)
[1] 王國民.天文光學(xué)望遠(yuǎn)鏡軸系驅(qū)動方式發(fā)展概述[J].天文學(xué)進(jìn)展,，2007,，25(4)：2-4.
[2] 李洪文.經(jīng)緯儀伺服系統(tǒng)功率開關(guān)電源及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測量與控制，2006(14)：2-4.
[3] 孫祥.大功率高電壓開關(guān)電源的設(shè)計(jì)[D].南京：南京理工大學(xué),，2013.
[4] 蔡宣三,，倪本來.開關(guān)電源設(shè)計(jì)與制作基礎(chǔ)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2012.
[5] 胡科堂.高電壓大功率開關(guān)電源拓?fù)潆娐返脑O(shè)計(jì)與研究[D].北京：北京工業(yè)大學(xué),，2013.
[6] BILLINGS K,，張占松.開關(guān)電源手冊[M].第三版.北京：人民郵電出版社，2014.
[7] PRESSMAN A I,，王志強(qiáng).開關(guān)電源設(shè)計(jì)[M].第三版.北京：電子工業(yè)出版社,，2010.
[8] ANG S，徐德鴻.開關(guān)功率變換器—開關(guān)電源的原理,、仿真和設(shè)計(jì)[M].第三版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社,，2014.