600V大功率潜艇开关电源的如何设计?

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600V大功率潜艇开关电源的设计及实现

1 摘要

为了解决潜艇电力推进系统蓄电池电压低,供电难的问题,设计了一套单个电源的额定功率为5 kW的大功率升压电源。分析了全桥变换器的工作原理和控制方式,设计隔直电容解决了全桥变换器在实际应用中的技术难题,并设计IGBT缓冲电路实现了高频的大功率开关电源。给出了高频变压器的设计过程。实际应用证明电源电压稳定性好、变换效率高、均流效果好。

直流电源的发展过程是由线性电源向开关电源发展的,在开关电源出现以前,线性电源已经应用了很长一段时间,而后,开关电源因其体积小、重量轻、效率高等优点作为线性电源的一种替代物出现,并广泛应用于家电、计算机、通信等设备中。而随着电力推进船舶、军用船舶、风力发电、太阳能发电等的发展,使得开关电源必须向大功率、高频化方向发展,而且成为当前研究的热点。

快速IGBT、快速恢复二极管、软开关技术、高频变压器等技术的发展使得大功率开关电源得以实现。但是目前大功率开关电源。尤其是大功率升压开关电源的开发和应用还比较少。本文针对这一现状,自行设计出一套基于全桥变换器拓扑的大功率高频升压开关电源,并引用均流技术,实现电源模块的并联,提高了负载能力和系统可靠性。

2 全桥DC—DC变换器的工作原理与控制方式

2.1 全桥变换器的工作原理

全桥变换器由输入滤波电路、全桥逆变器、高频变压器、输出整流滤波电路组成。图1所示为实际设计的全桥直流变换器的原理图。

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图1中,直流电压UIN经过Q1~Q4个IGBT开关管组成的全桥开关变换器,在高频变压器初级得到交流电压。经过变压器变压,再经过全桥整流变换成直流电压,最后通过电感L、电容C组成的LC滤波电路,得到平直的直流电压。

输入、输出都采用电解电容和无极性电容共同滤波的方式,输出还设计了电感滤波,而输入是由蓄电池提供的直流电.所以不用设计输入电感滤波。全桥逆变部分采用高速IGBT及RC缓冲电路.既提高了开关频率又降低了噪声和开关损耗,达到较好的动态性能。高频变压器和高频滤波电感体积很小,减小了整机的体积。隔直电容C3,有效解决了全桥变换器直通和偏磁问题,使全桥变换器真正地成为大功率DC—DC变换器的理想电路。输出整流电路采用快速恢复二极管及桥式整流电路,不仅简化高频变压器副边结构,而且整个电路的对称性好。

2.2 电源控制方式

电源控制电路是通过处理反馈的电信号,产生触发信号,并通过驱动电路控制IGBT的工作。控制系统原理图如图2所示。

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图2中.调节器采用UC3907负载均流稳压器。可实现精确的输出电压控制和负载均流。输出电压U是由UC3907内部的高阻抗电压放大器检测的.从而实现输出电压稳定,每个电源的电流则由另一个差分电流放大器检测,实现负载均流。控制器采用电压型脉宽调制器SG3525,电压型脉宽调制器是一个电压一脉冲变换装置,用锯齿波作调制信号的脉宽调制原理如图3所示。

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输出电压反馈信号与给定电压信号比较得到控制电压Uctrl,控制电压与锯齿波调制信号比较.输出PWM开关信号。

SG3525内部设有PWM锁存器,PWM 比较器输出信号首先送至PWM锁存器,当保护电路工作时,即使关断信号立即消失,锁存器也可以维持一个周期的关断控制,直到下一周期时钟信号使锁存器复位为止,所以能对电源进行过流、过压和高温保护。

3 主电路的设计

本文设计的开关电源是为了潜艇电力推进系统的直流变压、稳压,提供的电源是蓄电池输出的220 V直流电源,需要转换为600 V的稳定电源,供给电力推进逆变器。开关频率设计为20kHz,单个电源负载能力为5 kW。

3.1 高频变压器的设计

使用AP法,即先求出磁芯窗口面积Aw与磁芯有效截面积Ae的乘积AP(称磁芯面积乘积):

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式中:PT为变压器的视在功率;BW为工作磁通密度; K0为窗口使用系数,一般取典型值0.4;Kf为波形系数,正弦波为4.44,方波为4;fs为开关工作频率;Kj为电流密度比例系数;X为常数,由所用磁芯确定。

再根据AP值,查表找出所需磁性材料之编号。

假设电源的效率η=90%,则对于输出是全桥整流的电源PT=P0(1+1/η)=10.6KW。对于50 kHz以下的工作频率.较大的磁通密度也不会引起过多的磁芯损耗,所以选取BW=0.16 T。铁芯采用铁粉磁芯,允许温升为50 ℃时的电流密度Kj=590,常数X=-0.12。则:

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EE型铁芯EE110/56/36的AP=164.5 cm4>57.0cm4,故采用EE110/56/36制作5 kW 开关电源的功率容量是足够大的。EE110/56/36的Ae=12.80cm2AW=12.85cm2

3.1.1 确定变压器原边匝数

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取整为14匝。

3.1.2 确定变压器副边匝数

IGBT(SKM1O0GB12V)开关管的导通压降为1.75 V,输出整流二极管的压降为1.5 V。在IGBT逆变过程中,若垂直桥臂上下管同时导通,则会将电源短路,电流剧增,从而损坏IGBT。为了避免这种情况,应该选择IGBT的最大导通时间不超过80% ,即,当直流输出电压Udc最低时,IGBT的导通时间不超过T/2的80%就能保证额定的输出电压U0。最小输入直流电压由蓄电池输出电压决定,Udc(min)=210 V。即

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所以副边匝数为

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取整得51匝。

3.2 隔直电容设计

对于全桥变换器,两个桥臂的导通时间不相同、开关管的导通压降存在略微的差异、每个导通管的储存时间不同等都会造成初级置位伏秒数与复位伏秒数不相等。只要伏秒数稍有不等,磁芯就不能回到起点,并且若干周期后,磁芯将偏离磁滞回线进入饱和区。磁芯饱和时。变压器不能承受电压,当下一周期开关管再次导通时。开关管将承受很大的电压和电流。导致开关管损坏。隔直电容C3。能有效解决全桥变换器直通和偏磁问题。

隔直电容工作在20 kHz的交流电路中,充电电压使高频变压器的初级平顶脉冲电压有所下降。变压器初级脉冲电压如图4所示。9

 

该直流偏移电压占用一部分电压,使变压器次级电压降低,则获得同样输出电压所需的导通时间延长,一般希望初级脉冲电压尽可能保持平波。设计平顶脉冲电压允许的下降量为10%。1011

 

 

3.3 软开关设计

对于功率变压器与功率开关管串联的拓扑,功率开关管开通和关断时电压和电流会重叠而引起开关损耗。因为变压器漏感可抑制开通时的电流上升,所以开通损耗比较小,而关断有很大的损耗尖峰,因此主要考虑关断损耗。

如图5所示为开关管缓冲电路,其基本思路在于处理吸收储能元件中的能量,将其回馈到电源,从而消弱开关损耗,达到软化开关的目的。12

 

当Q1关断时,一部分峰值电流流过C1,C2开始充电。假设最初的峰值电流Iin(max)一半流过C1,一半流过逐渐关断的Q1。选择合适的电容C1,使得两端的电压在Q1的关断时间td(f)内上升到2Udc。IGBT(SKM1OOGB12V)的关断时间td(f)=62ns,则:

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选择了一个C1后,R1应使C1在最小导通时间ton(min)内放电至所充电荷的5%以下,则:(3~5)×R1C1=ton(min)

当输入直流电压最大(Udc(max)=230 V)时,开关管的导通时间最短.则:14

 

4 实验结果

设计输人电容C1为1 000μF,C2为0.22μF,IGBT选用SKM100GB12V,整流二极管选用快速恢复二极管DSEI 2X101,输出滤波电感L为1.8mH,输出滤波电容C4为500μF,C5为0.3μF。试验条件有2 kW,5 kW 和10 kW 的负载(电阻),在此基础上对5 kW 的独立电源模块做2 kW 和5kW负载功率传输试验,图6为控制芯片SG3525产生的驱动控制脉冲波。具体数据如表1所示。1516

 

 

由表1可知.独立的电源模块的变换效率在90%以上.电压控制精度达到0.22%。

3台电源模块在5 kW 和10 kW 负载时的并联均流试验数据如表2所示。由表2可知,电源模块的均流精度可控制在5.5%左右,当负载增加到半载以上时,均流效果更佳。

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5 结论

实际应用时是3台5 kW 的电源并联,其中一台做为备用,配合专门设计的逆变器,在潜艇上组成控制同步电机的电力推进系统,这样可以提高电源系统的稳定性,方便实现冗余。在试验条件下做功率传输试验和并联运行试验,数据显示电源模块的变换效率高,电源系统的均流效果好。随着电力推进船舶、太阳能发电、风能发电等的发展.这种大功率开关电源将有更广阔的应用前景。

 

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