38V/100A可直接并联大功率AC/DC变换器_电源技术论文
关键词：大功率；半桥变换器；功率因数校正；均流
引言
随着电力电子技术的发展，电源技术被广泛应用于计算机、工业仪器仪表、军事、航天等领域，涉及到国民经济各行各业。特别是近年来，随着igbt的广泛应用，开关电源向更大功率方向发展。研制各种各样的大功率，高性能的开关电源成为趋势。某电源系统要求输入电压为ac220v，输出电压为dc38v，输出电流为100a，输出电压低纹波，功率因数>0.9，必要时多台电源可以直接并联使用，并联时的负载不均衡度<5％。
图1 uc3854a/b控制的有源功率因数校正电路
设计采用了ac/dc/ac/dc变换方案。一次整流后的直流电压，经过有源功率因数校正环节以提高系统的功率因数，再经半桥变换电路逆变后，由高频变压器隔离降压，最后整流输出直流电压。系统的主要环节有dc/dc电路、功率因数校正电路、pwm控制电路、均流电路和保护电路等。
1 有源功率因数校正环节
由于系统的功率因数要求0.9以上，采用二极管整流是不能满足要求的，所以，加入了有源功率因数校正环节。采用uc3854a/b控制芯片来组成功率因数电路。uc3854a/b是unitrode公司一种新的高功率因数校正器集成控制电路芯片，是在uc3854基础上的改进。其特点是：采用平均电流控制，功率因数接近1，高带宽，限制电网电流失真≤3％。图1是由uc3854a/b控制的有源功率因数校正电路。
图2 主电路拓扑图
该电路由两部分组成。uc3854a/b及外围元器件构成控制部分，实现对网侧输入电流和输出电压的控制。功率部分由l2，c5，v等元器件构成boost升压电路。开关管v选择西门康公司的skm75gb123d模块，其工作频率选在35khz。升压电感l2为2mh/20a。c5采用四个450v/470μf的电解电容并联。因为，设计的pfc电路主要是用在大功率dc/dc电路中，所以，在负载轻的时候不进行功率因数校正，当负载较大时功率因数校正电路自动投入使用。此部分控制由图1中的比较器部分来实现。r10及r11是负载检测电阻。当负载较轻时，r10及r11上检测的信号输入给比较器，使其输出端为低电平，d2导通，给ena(使能端)低电平使uc3854a/b封锁。在负载较大时ena为高电平才让uc3854a/b工作。d3接到ss（软启动端），在负载轻时d3导通，使ss为低电平；当负载增大要求uc3854a/b工作时，ss端电位从零缓慢升高，控制输出脉冲占空比慢慢增大实现软启动。
2 dc/dc主电路及控制部分分析
2.1 dc/dc主电路拓扑
在大功率高频开关电源中，常用的主变换电路有推挽电路、半桥电路、全桥电路等。其中推挽电路的开关器件少，输出功率大，但开关管承受电压高（为电源电压的2倍），且变压器有六个抽头，结构复杂；全桥电路开关管承受的电压不高，输出功率大，但是需要的开关器件多（4个），驱动电路复杂。半桥电路开关管承受的电压低，开关器件少，驱动简单。根据对各种拓扑方案的工程化实现难度，电气性能以及成本等指标的综合比较，本电源选用半桥式dc/dc变换器作为主电路。图2为大功率开关电源的主电路拓扑图。
图3 pwm控制及驱动图
图2中v1，v2，c3，c4和主变压器t1组成半桥式dc/dc变换电路。igbt采用西门康公司的skm75gb123d模块，工作频率定在30khz。高频变压器采用国产铁氧体ee85b磁芯，原边绕组匝数为12匝，副边两个绕组均为6匝，变压器无须加气隙。在绕制变压器时采用“三段式”方法绕制，以减少变压器的漏感。整流二极管采用快速二极管，以减小其反向恢复时间对输出的影响。r1，c1，r2，c2为并在igbt两端的吸收电路。r5及c6和r6及c7为并在快恢复二极管两端的吸收电路。r3和r4起到保证电容c3及c4分压均匀的作用。ct为初级电流检测用的电流互感器，作为电流控制时的电流取样用。为了防止电源在运行过程中产生偏磁，在原边绕组串联隔直电容c5，阻断与不平衡伏秒值成正比的直流分量，平衡开关管每次不相等的伏秒值。c5采用优质cbb无感电容。变压器的副边采用全波整流加上两级l—c滤波以满足低输出纹波的要求。电阻r7及r8为输出电压反馈采样电阻。
2.2 pwm电路及igbt的驱动
系统的pwm部分采用电流型控制芯片uc3846组成波形产生电路。图3是大功率开关电源的pwm控制的电气原理图。
r1和c2组成uc3846的振荡器，振荡频率为f=2.2/r1c2。为了防止两路开关管的互通，要设定两路输出都关断的“死区时间”，它由振荡锯齿波的下降沿决定。从脚8经r2及c1到脚4（sen＋）作为uc3846电流控制的斜坡补偿，以有效地防止次谐波振荡。主电路电流信号经电流互感器ct，桥式整流和阻容滤波后作为uc3846的电流反馈信号。uc3846对电流放大器的输出电压脉冲与最大电流限制值（由脚1电压和电压误差放大器的输出电压确定）逐个地进行比较，当脉冲开关电流超过最大电流限制时，uc3846将封锁输出脉冲，限制了开关电源的最大输出电流。c5为实现软启动的电容。uc3846的脚1电位低于0.5v时无脉宽输出，在脚1接电容到地，开机后随着电容的充电，电容电压高于0.5v时有脉宽输出，并随着电容电压的升高脉冲逐渐变宽，完成软启动功能。
igbt是一复合功率器件，集双极型晶体管和功率mosfet的优点于一体，具有电压型控制，开关损耗小，通断速度快，工作频率高，器件容量大等优点，很适合用于大功率电源变换器中，因此，近年来igbt技术得到了迅猛的发展。专门用于igbt的驱动电路很多，如富士公司的exb841及exb651系列，三菱公司的m57959l系列。它们都具有开关频率高，驱动功率大，过流过压保护等优点，但必须要有专门的驱动电源，因此，导致设备整体成本提高。脉冲变压器也可以作为igbt的驱动，它有体积小，价格低，不需要额外的驱动电源的优点，但是直接驱动时，脉冲的前沿与后沿不够陡，影响igbt的开关速度。图3所采取的驱动电路具有开关频率高，驱动功率大，结构简单，且具有负压关断的特点。v1－v4，d2－d5构成了脉冲变压器的驱动电路，适用于驱动大功率的igbt。d1和d6有利于v1－v4的关断。当pwm1为高，pwm2为低电平时，v1和v4导通；当pwm1和pwm2均为低电平时，变压器中由于漏感储存的能量通过d3和d4进行续流，使a点电位降至－0.7v，虽然这时pwm1为低电平但v1再次导通，则v1处于高频通断状态而容易烧毁。pwm2由高电平向低电平转换时v2存在同样情况。加入d6可以使续流时a点电位钳制在0v，从而有利于v1或v2的关断。同理d1的作用是利于v3或v4的关断。
2.3 均流环节设计
并联运行是电源技术的发展方向之一。欲使开关电源并联运行，做到各电源模块之间的“均流”是关键。常用的均流方法有外特性下垂法、主从电源设置法、外部电路控制法、平均电流法、最大电流法。分析各种均流方法可知，下垂法虽然简单易行，但负载效应指标较差，均流精度太低；主从设置法和平均电流型自动均流法都无法实现冗余技术，因为，一旦主电源出故障，则整个电源系统都不能正常工作，使电源模块系统的可靠性得不到保证；外控法的控制特性虽好，但需要一个附加的控制器，并在控制器和每个单元电源之间有许多附加连线；而最大电流自动均流法依据其特有的均流精度高，动态响应好，可以实现冗余技术等性能，越来越受到开发人员的青睐。uc3907是unitrode公司根据最大电流法设计的均流控制芯片。图4是采用uc3907设计的电源并联运行时的均流环节。
系统采用霍尔电流传感器来检测主电路输出电流。霍尔传感器的输出经分压与uc3907的脚2电流检测相连。脚11为电压反馈端，输出端分压得到的电压与uc3907内部的电压放大器所接的基准电压（2.0v～2.1v）相比较后，输出经驱动放大器作为系统uc3846的电压反馈。脚15接均流母线。uc3907内部的电流放大器将检测到的电流信号放大20倍与均流母线上的信号比较。若大于均流母线上的信号，则母线上的电压将由该电源决定，即“主控”；若调节器的输出电流小于母线上的电流信号，即“辅控”时，调节器使电压放大器的基准电压升高100mv，强迫系统的反馈电压减小，通过uc3846的调节使该电源输出电压增加，从而自动平衡电流。在试验过程中出现主辅控状态来回切换的情况。分析其原因发现，当在“辅控”状态时，电流调节器使基准电压升高100mv的同时会使电流增大，当电流大于母线电流信号时，致使该模块变为“主控”。而在下一次调节时又变为“辅控”。这样，就在主辅控状态之间来回变化，造成系统并联不稳定。我们在脚14和脚6之间接一个电阻r3，使基准电压在升高时小于100mv，该模块的输出电流略微增加，不至于成为“主控”模块。如果电阻选取得适当，既能保证电源模块并联均流又不会发生主控、辅控交替现象。
2.4 保护电路设计
对于dc/dc电源产品都要求在出现异常情况（如过流、过载、过/欠压）时，系统的保护电路工作，使变换器及时停止工作。但各种情况下的保护又不尽相同。一般说来，在过载、过流时，保护电路要动作且不需要自动恢复；而过/欠压则不同，在过/欠压情况解除后要求系统能够重新工作。图5是系统的保护电路（主要是控制uc3846来停止半桥变换器工作）。uc3846的脚16（shtdn）为关断控制脚。当出现过/欠压（或过流、过载）时，可使u1(或u2)导通，d1（或d2）导通，则脚16为高电平使uc3846关断，封锁输出脉冲。不同的是，过/欠压电路使uc3846的脚1经三极管v1接地。当发生过/欠压时，d1导通使脚16为高电平，在uc3846关断的同时，v1导通，将uc3846内部脚16所接的晶闸管短接，使其承受负压关断。这样在过/欠压解除后uc3846能够重新输出脉冲使变换器工作。而在过流、过载情况出现时c3846封锁输出脉冲，在封锁解除时脉冲不能恢复。
3 各部分电路波形
研制成功的试验样机，在稳态运行时的各部分波形如图6及图7所示。
4 结语
所制作的工程样机，已经通过性能测试。该系统具有输入过、欠压，输出过流保护等功能，输出电压的电源调整率不大于1％，负载调整率不大于1％，输出电压纹波小于50mv，功率因数大于0.9,并联运行时均流精度控制在5％以内，满足设计要求。