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:
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:
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。
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