機載高頻開(kāi)關(guān)電源設計

機上可供選擇的供電電源有兩種輸入方式：115V/400Hz中頻交流電源和28V直流電源。兩種輸入方式各有優(yōu)缺點(diǎn)

，115V/400Hz電源波動(dòng)小，需要器件的耐壓相對較高;而28V直流電源卻相反，一般不能直接提供給設備部件使用，

必須將供電電源進(jìn)行隔離并穩壓成為需要的直流電源才能使用。機載電源的使用環(huán)境比較惡劣，必須適應寬范圍溫

度正常工作，并能經(jīng)受沖擊、震動(dòng)、潮濕等應力篩選試驗，因此設計機載電源的可靠性給我們提出了更高的要求。

下面主要介紹115V/400Hz中頻交流輸入方式所研制的開(kāi)關(guān)電源，它的輸出電壓270～380Vdc可以調節，輸出功率不小

于3000W，環(huán)境溫度可寬至-40℃～+55℃，完全適應軍品級電源的需要。

　　系統構成及主回路設計

　　它的設計主要通過(guò)升壓功率因數校正電路及DC/DC變換電路兩部分完成。115Vac/400Hz中頻交流電源經(jīng)輸入濾波

，通過(guò)升壓功率因數校正(PFC)電路完成功率因數校正及升壓預穩、能量存儲，再通過(guò)DC/DC半橋變換、高頻整流濾

波器、輸出濾波電路以及反饋控制回路實(shí)現270～380Vdc可調節輸出穩壓的性能要求。
　　　升壓功率因數校正電路主要使輸入功率因數滿(mǎn)足指標要求，同時(shí)實(shí)現升壓預穩功能。本部分設計兼顧功率因

數電路達到0.92的要求，又使DC/DC輸入電壓適當，不致使功率因數校正電路工作負擔過(guò)重，因此設定在330～

350Vdc。

　　隔離式DC/DC變換器電路拓撲結構形式主要有以下幾種：正激、反激、全橋、半橋和推挽。反激和正激拓撲主要

應用在中小功率電源中，不適合本電源的3000W輸出功率要求。全橋拓撲雖然能輸出較大的功率，但結構相對較為復

雜。推挽電路結構中的開(kāi)關(guān)管電壓應力很高，并且在推挽和全橋拓撲中都可能出現單向偏磁飽和，使開(kāi)關(guān)管損壞。

而半橋電路因為具有自動(dòng)抗不平衡能力，而且相對較為簡(jiǎn)單，開(kāi)關(guān)管數量較少且電壓電流應力都比較適中，故不失

為一種合理的選擇。

　　DC/DC變換電路主要為功率變壓器設計，采用IGBT/MOSFET并聯(lián)組合開(kāi)關(guān)技術(shù)和半橋電路平衡控制技術(shù)。經(jīng)過(guò)分

析計算，采用雙E65磁芯，初級線(xiàn)圈12匝，次級繞組圈15匝。

　　關(guān)鍵技術(shù)設計

　　1功率因數校正技術(shù)和無(wú)源無(wú)耗緩沖電路

　　具有正弦波輸入電流的單相輸入個(gè)功率因數校正電路在開(kāi)關(guān)電源中的使用越來(lái)越廣泛，圖2所示為升壓功率因數

校正和無(wú)源無(wú)耗緩沖電路。
　　　采用無(wú)源無(wú)耗緩沖電路，元件全部采用L、C、D等無(wú)源器件，既有零電流導通特性，又有零電壓關(guān)斷特性，比

傳統的有損耗的緩沖電路元件少30%。緩沖電路元件包括L1、C1、C2、D1、D2和D3。

　　可用UC2854A控制主開(kāi)關(guān)SWB，其緩沖電路是不需控制的，并且具有電路簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。其原理是將二極管>二極管DB反向

恢復的能量和SWB關(guān)斷時(shí)儲存在C2中的能量在SWB導通時(shí)轉移到C1中。在SWB關(guān)斷時(shí)，L1中的儲能向C2充電，并通過(guò)D1

、D2、D3轉移到CB中，同時(shí)也向CB放電，用這種電路實(shí)現了零電壓關(guān)斷和零電流導通，有效地減少損耗，提高了電

路的效率和可靠性。

　　該電路的主要特點(diǎn)是：

　　開(kāi)關(guān)SWB上最大電壓為輸出電壓VL。

　　Boost二極管DB上最大反向電壓為VL+VE，VE值由IR、L1、C1及C2的相關(guān)值決定。

　　開(kāi)關(guān)SWB上最大電流上升率由L1和V1決定，并且導通損耗和應力很小。

　　開(kāi)關(guān)SWB上最大電壓率由C2決定，并且關(guān)斷功耗和應力很小。

　　在開(kāi)關(guān)周期中，為獲得電流和電壓上升率的控制而儲存在L1和C2中的能量最終又回到輸出電源中，這樣確保電

路真正的無(wú)損耗工作。

　　2 IGBT/MOSFET并聯(lián)組合開(kāi)關(guān)技術(shù)

　　圖3所示為IGBT/MOSFET并聯(lián)組合開(kāi)關(guān)電路及工作波形圖。與MOSFET相比，IGBT通態(tài)電壓很低，電流在關(guān)斷時(shí)很

快下降到初始值的5%，但減少到零的時(shí)間較長(cháng)，約1～1.5μs，在硬開(kāi)關(guān)模式下會(huì )導致很大的開(kāi)關(guān)損耗。在組合開(kāi)關(guān)

中，并聯(lián)MOSFET在IGBT關(guān)斷1.5μs后，拖尾電流已減少到接近零時(shí)才關(guān)斷。
　　　這種技術(shù)因通態(tài)損耗很低而使得DC/DC變換器的效率很高。但需工作頻率相對較低，一般選取20～40kHz。由

于半橋組合開(kāi)關(guān)只需兩個(gè)開(kāi)關(guān)，總的開(kāi)關(guān)器件的數目少，使可靠性顯著(zhù)提高。

　　3 半橋電路平衡控制技術(shù)

　　通過(guò)控制和調整 IGBT/MOSFET柵驅動(dòng)的延遲時(shí)間可使半橋平衡，避免變壓器偏磁飽和過(guò)流，燒毀開(kāi)關(guān)管。這在

脈沖較寬大時(shí)，很容易實(shí)現。但當輕載或無(wú)載時(shí)，脈寬很窄(例如小于0.3μs)，此時(shí)的IGBT/MOSFET延遲已取消。因

此在窄脈寬時(shí)，為保持其平衡，我們采用了一個(gè)低頻振蕩器。當脈寬小于0.3μs時(shí)，振蕩器起振使PWM發(fā)生器間歇工

作，保持脈寬不小于0.3μs，以維持半橋平衡，使其在無(wú)載時(shí)能正常工作。

　　由于工作頻率較低，組合開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)損耗很小，通態(tài)損耗也很小。
　　4 多重環(huán)路控制電路

　　平均電流模式控制系統采用PI調節器，需要確定比例系數和零點(diǎn)兩個(gè)參數。調節器比例系數KP的計算原則是保

證電流調節器輸出信號的上升階段斜率比鋸齒波斜率小，這樣電流環(huán)才會(huì )穩定。零點(diǎn)選擇在較低的頻率范圍內，在

開(kāi)關(guān)頻率所對應的角頻率的1/10～1/20處，以獲得在開(kāi)環(huán)截止頻率處較充足的相位裕量。

　　另外，在PI調節器中增加一個(gè)位于開(kāi)關(guān)頻率附近的極點(diǎn)，用來(lái)消除開(kāi)關(guān)過(guò)程中產(chǎn)生的噪聲對控制電路的干擾，

這樣的PI調節器的結構如圖5所示。
　　
　　控制電路的核心是電壓、電流反饋控制信號的設計。為了保證在系統穩定性的前提下提高反應速度，設計了以

電壓環(huán)為主的多重環(huán)路控制技術(shù)。電流環(huán)響應負載電流變化，并且有限流功能。設計電路增加了對輸出電感電流采

樣后的差分放大，隔直后加入到反饋環(huán)中參與控制，調節器增益可通過(guò)后級帶電位器的放大環(huán)節進(jìn)行調節。這樣電

源工作在高精度恒壓狀態(tài)下，輸出動(dòng)態(tài)響應，使電源在負載突變的情況下，沒(méi)有大的輸出電壓過(guò)沖。

　　5提高散熱效果，降低熱阻

　　為了減小整機體積，達到合理的功率密度，采用了強迫風(fēng)冷方式。對于風(fēng)冷散熱器來(lái)說(shuō)，風(fēng)速的大小直接關(guān)系

到散熱效果的優(yōu)劣。由于要求前后通風(fēng)，在設計時(shí)應考慮：

　　保證風(fēng)速達到一定的要求(V= 6m/s)，并考慮風(fēng)壓的影響。當風(fēng)壓低于散熱器壓頭損失時(shí)，冷卻風(fēng)根本就吹不過(guò)

去或風(fēng)速很低，達不到提高散熱率的目的。

　　由于散熱器及翼片間隙同風(fēng)道與散熱器間隙有很大差別，當風(fēng)壓過(guò)低時(shí)，可以在進(jìn)風(fēng)口散熱器與風(fēng)道的間隙間

加擋流柵板或喇叭型的進(jìn)口，強迫風(fēng)從散熱器的翼片間流過(guò)。

　　升壓電感、主變壓器、輸出濾波電感成一排固定在散熱器上半部，主板固定在散熱器下半部;主板上的功率器件

如功率開(kāi)關(guān)管、輸出整流管通過(guò)鋼板壓條固定在散熱器上，主板上半部放質(zhì)低元器件、下半部放置高元器件，風(fēng)扇

放置在散熱器前中上位置并固定在前面板上，采用前進(jìn)風(fēng)后出風(fēng)方式。

　　軍用高頻開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)品不但要考慮電源本身參數設計，還要考慮電氣設計、電磁兼容>電磁兼容設計、熱設計、結構設計

、安全性設計和三防設計等方面。因為任何方面哪怕是最微小的疏忽，都可能導致整個(gè)電源的崩潰，所以我們應充

分認識到軍用高頻開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)品可靠性設計的重要性。