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(dòng)電源[1],。望遠(yuǎn)鏡軸系驅(qū)動(dòng)功率電源先后經(jīng)歷了相控電源,、線性電源和開(kāi)關(guān)電源。相比于相控電源和線性電源,，開(kāi)關(guān)電源具有如下優(yōu)勢(shì)：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(duì)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(dòng)態(tài)響應(yīng)快[2]，逐步成為電源系統(tǒng)的主流,。隨著開(kāi)關(guān)電源電路拓?fù)?、控制理論的逐漸成熟，以及在功率開(kāi)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(kāi)關(guān)電源開(kāi)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(dòng)功率電源越來(lái)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(kāi)關(guān)電源應(yīng)用于望遠(yuǎn)鏡軸系驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(kāi)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(kāi)關(guān)電源與上位機(jī)相連,，通過(guò)上位機(jī)對(duì)開(kāi)關(guān)電源進(jìn)行控制,。開(kāi)關(guān)電源輸入具有過(guò)欠壓保護(hù)，輸出具有過(guò)壓保護(hù),、過(guò)流保護(hù),、欠壓保護(hù)、過(guò)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(kāi)關(guān)電源是基于硬件的產(chǎn)品,，開(kāi)關(guān)電源的硬件設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)過(guò)程中最重要的部分。開(kāi)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(kāi)關(guān)電源電路圖如圖2所示。

　　1.1 輸入部分介紹

　　開(kāi)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(shí)一般按照輸入電能功率每10 kVA選1 000 μF[5]。因電容具有儲(chǔ)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(shí)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(dòng)電路[6],，如圖2的K1和RV1,。

　　1.2 功率級(jí)介紹

　　拓?fù)潆娐凡捎眠m合大功率開(kāi)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(kāi)關(guān)器件選擇通態(tài)阻抗小的大功率IGBT,。同時(shí)還有輸出短路、過(guò)流,、過(guò)溫及過(guò)欠壓保護(hù)功能,，大大提高了開(kāi)關(guān)電源工作的可靠性。

　　高頻變壓器是開(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)電源的主開(kāi)關(guān)頻率為20 kHz,，變壓器次級(jí)輸出直流電壓150 V,，整流后電壓頻率為40 kHz,，次級(jí)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(jí)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(shí)間較長(zhǎng),，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(kāi)關(guān)頻率,，否則會(huì)有很大的開(kāi)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(shí)高頻增益增加，通過(guò)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(shí)，系統(tǒng)的開(kāi)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(gè)開(kāi)關(guān)電源的核心,，其設(shè)計(jì)是否合理與開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(dòng)信號(hào)，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(shí)間,。內(nèi)置只有一個(gè)外部定時(shí)電容的軟啟動(dòng)電路。通過(guò)脈沖PWM波下降沿提供瞬時(shí)關(guān)閉及在長(zhǎng)時(shí)間下降沿時(shí)啟動(dòng)軟啟動(dòng)功能,。在欠壓狀態(tài)下,，這些功能也可發(fā)揮作用來(lái)減少軟啟動(dòng)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(kāi)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(kāi)關(guān)噪聲,；低頻極點(diǎn)可維持低頻有效增益來(lái)減少輸出平均電壓的穩(wěn)態(tài)誤差[8]。且系統(tǒng)的開(kāi)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(shí)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(kāi)關(guān)電源的輸入端,，對(duì)輸入的交流電過(guò)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(shí)，對(duì)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(kāi)始工作,。同理，當(dāng)輸入交流電壓高于290 V時(shí),，對(duì)電源進(jìn)行過(guò)壓保護(hù),。在開(kāi)關(guān)電源的輸出端，設(shè)計(jì)有輸出過(guò)流保護(hù),、過(guò)壓保護(hù),、限流保護(hù)、短路保護(hù)和過(guò)溫保護(hù)來(lái)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(kāi)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(guò)程中工作穩(wěn)定。

　　圖8為不同負(fù)載時(shí)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(shí)，變壓器電壓工作可靠,，沒(méi)有明顯的振蕩,，變壓器電流值會(huì)隨之變化。

　　由圖9和圖10可得,，在100 V,、20 A時(shí)階躍響應(yīng)的上升時(shí)間為94 ms，上升時(shí)間較快且無(wú)很大的超調(diào),。并且空載時(shí)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(kāi)關(guān)電源應(yīng)用于望遠(yuǎn)鏡軸系驅(qū)動(dòng)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(dòng)電源的要求。同時(shí),，輸出紋波小,，保證了望遠(yuǎn)鏡軸系驅(qū)動(dòng)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(duì)電網(wǎng)的干擾,。

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