高功率因数 220V10A 电力系统直流操作开关电源

1、清华大学学报(自然科学版11 301997年第37卷Jou rnal of T singhua U n iversity (Sci &T ech 第7期第4851页高功率因数220V 10A 电力系统直流操作开关电源刘文华,马晓军,郑文斌,赵书阁清华大学电机工程与应用电子技术系,北京100084收稿日期:1997202220第一作者:男,1968年生,讲师文摘为了满足未来电力系统对直流操作电源的要求,给出了一种具有高功率因数的用于电力系统的新型直流操作开关电源的设计和实现。通过对高频开关电源几种常见拓扑结构的比较和分析,设计的开关电源模块输入级采用了升压变换器来校正功率因数,DC DC

2、 变换采用高可靠性的双管正激电路和电流型控制。电源系统采用无主均流控制方式,真正实现N +1冗余运行,并以8031单片机控制R S 485串行接口构成智能监控,使该电源系统具备新一代直流操作电源系统的所有功能。文中给出了系统较详细的设计过程,分析了影响开关电源性能的各种因素及解决方法。关键词开关电源;功率因数校正;并联运行分类号TM 46115220V 、110V 的直流操作电源系统的可靠性与稳定性直接影响到发、变电运行及设备的安全性。传统的直流操作电源采用相控整流电源,此种电源体积大、重量大、输出电压纹波大。高频开关电源由于具有更高的效率、更小的体积和重量以及更快速的动态响应而正在逐步取代传

3、统的相控整流型一次电源。此外,对电网谐波污染的限制以及对遥信、遥测及遥控功能的要求使得高输入功率因数及智能化成为这种电源的发展方向。对大容量的电源系统,采用多电源模块并联运行的模块化结构方式,可更好地提高系统的可靠性。开关电源模块的可靠性主要取决于其主电路拓扑及控制方法。目前国产开关电源可靠性不高的原因就在于主电路拓扑及控制方法落后。本文比较了几种常用拓扑结构的可靠性,并采用了电流型控制及无主均流控制方法,使电源模块主要性能指标达到:交流输入电压:160270V ,4560H z ;功率因数:0199;直流输出电压:200265V ;直流输出电流:10A ;效率:88%;冷却:风冷(由负载大小

4、控制;纹波峰峰值:100mV ;开关频率:50kH z ;静态电压调整率:<0.5%;动态电压调整率:<4%;多机并联均流精度:<2%;体积:L ×W ×H =430mm ×140mm ×300mm ;重量:16kg 。1功率因数校正器开关电源的输入侧一般都采用单相或三相全桥整流滤波电路,把输入交流电压变成一直流电压。采用简单的电解电容滤波将使交流输入电流畸变,对电网产生谐波污染。国际电工标准委员会制定了用于工频220V 、380V 电网的电工、电子产品允许的谐波电流标准IEC 55222。改善整流电路功率因数的方法之一是采用无源滤波。

5、该方法除不能达到很好的效果外,还将使电源体积与重量增加。改善功率因数的另一方法是采用功率因数校正电路。本文采用了常用的升压型功率因数校正方式,这种方式可使输入的功率因数高达0199,且有现成的集成控制芯片,这使得电路设计大为简化。功率因数校正器输出一稳定的400V 直流电压。这使得后级DC DC 变换器的功率开关管,变压器和输出滤波电感都得到充分的利用。升压型功率因数校正电路及输入电压与电流波形见图1。从图可看出,功率因数校正的基本思路是利用输出电压控制环的输出与输入整流后的电压U ac (t 相乘,得到一个电流参考信号I ref (t ,并使电感中电流波形跟踪I ref (t 波形,从而使输

6、入交流电流波形近似正弦波,并且使输出电压得到控制。其中电流控制环采用开关频率恒定、控制精度高、不需斜波补偿、对噪音不敏感的平均电流型控制,其控制原理图见图21,它的集成芯片有很多种,我们选用U n i 2trode 公司的U C 3854B 2。设计目标是:交流输入电压工作范围为160270V ,输出直流电压为395V ,最大输出功率为3.1k W 。为了保证整个变换器的效率,开关频率选为50kH z ,功率开关管T 用两只功率M O SFET I XFH 26N 50(500V 、26A 并联使用。电感L 采用两只56060环型铁粉芯实现,电感量为250H 。续流二极管D 采用一只D SE

7、I 60206A 。由于续流二极管截止时反向恢复电流流入M O SFET ,使M O SFET 开通损耗增大,并使输出电压及控制地线尖峰增大,对控制造成干扰,因此在续流二极管支路需串接一只饱和电感,以抑制反向恢复电流。此外,电流I ac (t 的测量很关键,采用磁环电流互感器测量时由于磁环的饱和问题,使控制效果不好。为此,我们采用一特制的25m 8电阻R 测量该电流。在输入电压160V 、输出电压395V 、输出电流8A 、散热器温度80时,测得损耗约为210W ,效率为94%。实测输入电流与电压波形见图 1(b 。(a (b 图1升压型功率因数校正电路及输入电流与电压波形图2功率因数校正的平

8、均电流型控制法2DC DC 变换器全桥和半桥主电路拓扑较常用于大功率DC DC 变换器中。这二种拓扑由于主变压器磁通在两个方向变化而使磁芯利用充分,可使变压器体积较小。但这两种拓扑有如下缺点:1桥臂上、下开关管在不可预见的干扰下会产生直通短路,损坏开关管;2某一个开关管驱动脉冲丢失时,变压器原边会因偏磁而饱和;3两路驱动脉冲宽度不一致也会导致变压器原变偏磁饱和。这将导致原边开关管不明原因的损坏。正激变换拓扑则避免了以上三种因素的影响,因而其可靠性极高,在要求高可靠性的开关电源中越来越多地被采用。虽然其变压器(B =B m 利用率似乎不如半桥和全桥变换器(B =2B m 充分,但在实际应用中,由

9、于变压器磁心铁损与开关频率的112次方及B 2.3成正比,在开关频率较高的情况下,为使磁芯温升在可允许范围内,全桥和半桥方式下变压器磁通变化B 不允许太高,正激变换器可使用的B 与全桥和半桥变换器相差不大。因此实际应用中正激变换拓扑的变压器利用率并不低。基于以上分析,我们采用双管双正激拓扑完成DC DC 变换, 其电路图如图33,4。图3双正激主电路图3中,每一个单正激变换器由二只M O SFET 构成,这种双管单正激可降底开关管耐压要求。两个正激变换器的驱动脉冲相位相差180°。和单正激变换器相比,双正激变换器在使输出功率增大的同时还带来如下好处:1输出滤波电感工作频率为两倍开关频

10、率,这使得其大小相对减小;2由于变压器原副边变比为单正激的两倍,可选用低耐压的输出整流二极管。实际使用的开关频率为50kH z ,开关管驱动采用脉冲变压器耦合隔离方式,这样可减小主电路对控制电路的干扰。功率变压器TR 1,TR 2及输出滤波电感L 1磁心都采用H 7C 1材料的EE 70磁心。原边每只开关管为M 11M 22为M O S 294刘文华,等:高功率因数220V 10A 电力系统直流操作开关电源FET I XFH 26N 50,输出整流二极管D 1D 4采用4只快恢复二极管D SE I 20212A ,其中2只并联使用作为续流二极管。D SE I 20212A 的反向软恢复特征使得

11、输出尖峰电压减小外,反向恢复电流折算到原边也小,使得原边M O SFET 开通损耗减小。在输出电压265V ,输出电流10A ,散热器温度80的条件下,测得DC DC 变换器损耗为170W ,效率为94%。PWM 控制采用峰值电流型控制,其原理见图4(a ,其中I (t 由二个正激变换器原边电流合成, 见(a (b 图4峰值电流型控制原理图图4(b 。这种电流型控制与电压型控制相比有如下优点:1开关管在其电流达到给定值时截止,即开关管在其每个开关周期都有电流保护;2自动消除工频输入整流后的低频纹波,使输出端300H z 以内纹波值很小,因而可减少输出滤波电容;3多台电源并联运行时,具有内在的均

12、流能力;4具有更快速的负载动态响应。由于操作开关电源系统采用多个电源模块并联工作模式以增加系统的可靠性,因此要求每个单台电源模型具有并联运行时与其他模块均分电流的功能。均流控制方法有很多种,我们在DC DC 变换器控制中采用了最大值均流控制法,其原理见图5 。图5最大电流值均流控制原理图图5中,每台电源模块本机输出电流I 0经过一缓冲器送到公共电流线I m ax 上,I m ax 即反映了并联电源模块中输出电流最大的那个模块的电流。本机电流与I m ax 的差值I 被叠加到PWM 控制的电压给定上。这样,每台电流即跟随最大电流I m ax ,稳态时每台电源输出电流相等。这种均流控制方法与电源模

13、块数目无关,且任意一台故障或退出运行均不影响其他模块的均流功能,真正实现了N +1冗余运行。5台10A 电源并联运行时,实际均流精度小于2%。为了使电源模块在任何运行工况及环境下不会损坏,在电源内设置了以下保护:负载大小控制的风冷。当输出电流达到6A 时,启动风扇,使散热器温升保持在允许范围内。当风扇故障时,输出电流限流给定降低为6A 。输入交流电压欠压和过压保护。当输入电压低于160V 时,关闭电源,当输入电压回升至170V 时,电源自动启动;当输入电压高于270V 时,关闭电源,当输入电压降回至260V 时,电源自动启动。输出电流限流。电源以恒流方式限制输出最大电流为10A ,当负载阻抗降

14、低到使输出电压低于80V 时,关闭电源,负载阻抗回升至正常值时,电源自动启动。输出过压保护。当输出电压超过270V 时,关闭电源,此后需进行复位操作以启动电源。输出短路保护。当输出短路时,关闭电源,短路消失后,电源自动启动。散热器过温保护。当散热器温度超过95时,关闭电源,当散热器温度降至70时,电源自动启动。3微机监控接口为了使并联运行于一个电源系统的开关电源模块能接受一监控模块的监控,以构成一个具有遥信、遥测及遥控功能的智能电源系统,采用8031单片机及通过其串行口转换的R S 485口作为电源模块与监控模块的接口。和模拟信号接口相比,R S 485串行接口使得在需要扩展被监控的电源模块数

15、量时,监控模块硬件部分不需作任何变化,只需扩展软件部分。8031单片机及其外围扩展电路主要完成以下功能:数据采集。完成电源模块的直流输出电压、电流、散热器温度、运行状态(正常或故障的采集。显示与操作。驱动一3位半液晶显示器显示输出电流、电压,并完成显示量的切换、电源的开 关机、故障的复位等操作。R S 485串行口通信。以中断方式接收监控模发送来的命令数据,如果是读取参数命令,则将电源模块的直流输出电压、电流、散热器温度、运行状态等参数回送监控模块;如果是操作命令,则完成相应的操作,并回送一表示操作结果的响应数据块。05清华大学学报(自然科学版1997,37(74结论本文介绍了一种单相输入高功

16、率因数的220 V 10A开关电源的设计及其特性。单相功率因数校正采用了平均电流型控制的升压变换器,而后级DC DC变换器采用了可靠性极高的双管双正激变换器,此外电源还具有多种保护功能、多机无主均流能力及单片机控制的监控接口,这些技术特点加上精心设计的整体结构使得该电源具有新一代直流操作电源所要求的性能:高功率因数、高效率、高可靠性、智能化、体积小、重量轻。参考文献1D ixon L H.A verage current mode con tro l fo r s w itch ing pow er supp lies.U nitrode pow er supp lydesign sem in

17、ar m anual SE M700,19902U C3854Con tro lled pow er facto r co rrecti on circu it design.A pp licati on no te U2134:U nitrode integratedcircu its co rpo rati on p roduct&app licati on s handbook19952963Backm an N,Tho rsland H.A new ligh t2w eigh t 100A 48V th ree2phase rectifier.I N T EL EC91,199

18、1:92974N agai Y,Tomokun i Y,H irach i K.A48V100A s w itch ing pow er supp ly un it and its app licati on.I N T EL EC88,1988:421428H igh power factor220V 10Apower system opera ti ng sw itchm ode rectif ierL iu W e nhua,M a X ia o jun,Zhe ng W e nb in,Zha o S hugeD epartm en t ofE lectrical Engineerin

19、g,T singhua U n iversity,Beijing100084AbstractTo m eet the dem and fo r DC operating pow er supp ly in pow er system in the futu re,the design and developm ent of a new type of h igh2frequency s w itch mode rectifier w ith h igh pow er facto r,used as DC operating pow er supp ly,is p resented.Based on the comparison and analysis fo r the conven ti onal topo logies of s w itch ing pow er supp ly,