10kW试验点火用低纹波开关电源设计

摘要：研制一种单相输入全桥PWM变换器、电压电流双环控制、纳米晶磁芯高频变压器和全桥整流、LC滤波器组成的脉宽调制变换器型稳压电源。输出电压1～1 OOV，最大电流达1 00A，输出纹波小于O．1％(1～100V)。实现了某工程试验点火对电源的要求。
关键词：脉宽调制变换器型稳压电源；低纹波

0 引言
    某工程试验点火装置，为满足狭小空间下，不同阻值爆炸桥丝的引燃工作，要求纹波小、输出可调，体积小和高可靠的开关稳压电源。基本要求是输入AC220V，输出DC0～100V连续可调，最大输出电流100A，低频纹波Vrms≤O．1％，电压调整率≤0．5％，稳定度≤0．1％的开关电源。设计思想主要服从可靠、体积两方面要求。在综合分析了现有的软硬开关变换器电源技术后，采用了脉宽调制变换器的形式设计，好处是简单可靠。通过对电源的供电环节、反馈控制、吸收电路、元器件选取与制作以及工艺结构等方面优化设计，解决了大电流下的输出纹波大、输出大范围调节下电源稳定性差、炸管和振荡等问题，研制出了合格的电源。

l 电源主电路
    电源主电路如图1所示。电源由输入电路、变换器、直流输出和控制驱动组成。输入电路包含抑制合闸浪涌的延时电路、EMI过滤器、单相整流器和滤波电容器组。变换器采用脉冲宽度调制“H”桥拓扑。高频变压器、桥式整流器、电感器和电容器组构成直流电压输出电路。控制电路利用PWM调节输出电压电流方案。

    1)输入电路
    输入电路由输入延时启动、EMI滤波器、桥式整流电路B1和滤波电容器组C1构成。延时启动使用继电器方式，以减小电源合闸瞬间对滤波电容器组C1的电流冲击。电容器选用CDE公司的DCMCE型逆变器专用输入滤波电容器。整流桥选择TECHSEM公司的MDQ75单相整流桥模块。由于电源每次工作时间很短暂及体积的限制，输入电路中没有加入功率因数校正电路。
    2)变换器和驱动电路
    变换器采用脉宽调制的“H”桥拓扑，它由四只IGBT(VT1一VT4)组成。工作时，其输出在1～60μs变化脉冲宽度。IGBT选用三菱公司的CM75BU一12H单相全桥模块，好处是每只IGBT开关特性的一致性好，无须考虑电路的平衡问题。对于驱动电路，目前集成驱动电路很多，由于它直接影响到IGBT可靠工作及可靠保护，经比较选用了POWERXE公司基于VLA502一02的两通道IGBT驱动模块BG2A。图2是VLA502—02的原理图，与常用混合驱动模块另一个同之处是它集成了DC／DC电源，无须再对每个驱动电路单独供电。实际使用表明，BG2A可靠性大大高于EX840等驱动电路，从未遇到过损坏。

    3)变压器和输出整流滤波电路
    变压器功率较大，铁氧体磁芯难以做到，采用了铁基纳米晶带材。与铁氧体材料相比，铁基纳米晶带材具有高饱和磁感应强度、高导磁率和低矫顽力，使变压器体积减小、频响更高、效率提高。同时，加工、安装方便、参数调整容易。由于IGBT作硬开关，工作频率高于1 5kHz时，开关损耗成为电源主要损耗，因此，变压器及变换器工作的频率设计为15kHz。输出整流二极管选用摩托罗拉MUR20020快恢复二极管。
    输出滤波电路采用LC滤波器，由于电感器的电感量和功率较大，铁粉芯和铁硅铝的磁芯没有相适应的产品规格，电感磁芯采用了铁基非晶材料。为了降低输出纹波，电容器采用美国CED公司101型电解电容器，它的ESR(等效串联电阻)、ESL(等效串联电感)为目前所有品牌电解电容器中最低，且温度范围很宽。
    4)控制与安全保护
    电源是输出电压在0～100V间不分档、可连续调节的直流稳压电源，过载保护被设计成高精度的限流保护形式，其限流值在0～100A间可连续调节。为了可靠起见，反馈控制采用了传统的模拟控制，即用误差放大器来减小输出电压与参考电压的误差。控制芯片采用TL494，设计为恒压恒流双闭环控制系统，两个闭环共用一个脉宽调制实时处理，实现恒压调节和恒流调节功能。TL494的两个误差放大器，一个用于电压稳定控制，一个用于电流限制。电流采样电阻采用1 00A／75mV标准分流器。TL494用作电压反馈和电流反馈的放大器被设计成“或”的关系。输出电压大小的调节，用改变电压反馈取样电阻的分压比实现，电流限制调节的方法同样。

2 输出电压纹波
    抑制电源输出电压中的低频交流纹波和开关噪声纹波的关键是找到成因，再确定处理方案。通常是从器件和电路两方面解决。
    1)尖峰噪声的抑制
    尖峰噪声产生于晶体管ON／OFF的瞬间。为抑制尖峰噪声，选取ESR、ESL低的电容器和具有软恢复特性的二极管，通过C4～C7和R4～R7对二极管开关时的尖峰进行抑制。另外，在二极管套入非晶磁珠，对尖峰抑制效果大大好于RC电路，但发热太大，未被采用。对于IGBT母线电感引起的尖峰，通常的LCR吸收电路比较复杂，参数不易协调。由于变换器是采用H桥模块，母线很短，所以只用C2完成尖峰吸收。R2和R3吸收变压器漏感引起的尖峰。使开关波形瞬间产生的尖峰电平只比直流电平稍高一些，大大减轻了IGBT上的尖峰噪声。C2，C3选用CDE公司的930型聚丙烯薄膜无感电容器。
    2)输出纹波的抑制
    开关电源中低频交流纹波一般的说法是从交流电网引入的，输出滤波器无法滤除，主要靠系统闭环负反馈来抑制，但这极易引起电路振荡，损坏IGBT。事实上在供电容量足够，输入滤波合适的情况下，测不出交流输入带给直流输出的纹波。由于开关电源电路中谐波丰富，以致引起低频纹波的原因很多：工艺结构方面，如布线不当；器件的原因，如电容的ESR、电感参数(取直，气隙，磁芯的选择)；元件间的配合，如L与C的乘积值等。尤其电感器对电源的稳定性和输出纹波影响。其中防饱和气隙是电感器在输出引起低频纹波重要原因，常常不易判断，这个纹波的频率随气隙的大小而变，范围在几百赫兹内。幅度大小与输出电压的值有一定关系，且不成比例，如图3所示。但电感磁芯没有气隙，又易饱和。非闭合磁芯，又使体积变很大，相对而言，设计了功率容量放大，不开气隙的磁芯，使问题解决。

3 结束语
    经有关计量单位对电源进行的正式测试，无论是空载还是负载，输出电压在1～100V变化时，相应纹波在0．6～50mV之间，电源的其它工作和指标也都达到要求。电源在工程现场顺利地通过了工程控制系统自运行、发火引爆试验、测控系统联试、发动机点火热试车等工作的考核验证，已正式投入使用。这表明高功率调宽变换器型稳压电源可以很好的做到宽范围的连续可调和超低纹波要求，拓宽了高功率普通硬开关电源的用途。