新型模塊式高頻高壓大功率開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)
1、問(wèn)題的引出
1.1電力電子技術(shù)的發(fā)展
在電力電子技術(shù)中，開(kāi)關(guān)電源占有重要地位，而現(xiàn)代電力電子技術(shù)的繁榮與開(kāi)關(guān)電源（特別是高頻開(kāi)關(guān)電源）的發(fā)展緊密聯(lián)系在一起，則高頻化是現(xiàn)代電力電子技術(shù)焦點(diǎn)之一。但現(xiàn)代高頻開(kāi)關(guān)電源技術(shù)的進(jìn)步得力于新理論、新技術(shù)、新器件、新材料的支持。其應(yīng)用空間迅速擴(kuò)展，除了計(jì)算機(jī)、電機(jī)變頻控制、電悍、電鍍、電感加熱、超聲波加工（清洗）等所用的變流設(shè)備在原有基礎(chǔ)上升級(jí)換代外，熒光燈和新型電光源的鎮(zhèn)流器，現(xiàn)代辦公設(shè)備、通訊裝置、運(yùn)載工具、移動(dòng)軍事裝置、航空、航天、航海裝置等，都開(kāi)始將注意力轉(zhuǎn)向以高頻變換為代表的現(xiàn)代電力電子技術(shù)，許多新的應(yīng)用領(lǐng)域中其熱點(diǎn)也陸續(xù)發(fā)展并選中高頻開(kāi)關(guān)電源(DC/AC)。
1.2市場(chǎng)的需要
在上述這些應(yīng)用領(lǐng)域中很重要的是要求高可靠的高頻高壓大功率的開(kāi)關(guān)電源。根據(jù)現(xiàn)代電力電子技術(shù)關(guān)于高頻電源電路應(yīng)集成化、智能化及模塊化的又一特點(diǎn)，縱觀目前市場(chǎng)，由于國(guó)內(nèi)在此方面起步較晚，因而具備這一特點(diǎn)的高可靠高頻大功率開(kāi)關(guān)電源還處于開(kāi)發(fā)研制(包括國(guó)外廠商在內(nèi))之中，即使有,也只是AC_DC或DC_DC的±48v、±24v等常用通訊用的開(kāi)關(guān)電源。
面對(duì)這新的桃戰(zhàn)和機(jī)遇，我們采用了日本聯(lián)美蘭達(dá)（NEMIC-LAMBDA）公司產(chǎn)的PF1000A-360型AC/DC功率變換模塊和IPM-4M型全橋式DC/AC高頻大功率變換模塊并將其前后級(jí)相連又與高頻大功率脈沖變壓器T等一起組合而成新型模塊式高頻(22-25)KHZ 高壓(100V-120V)大功率（1000W）開(kāi)關(guān)電源, 并作為信號(hào)源(或稱超聲波發(fā)生器)與換能器匹配組合成高聲高強(qiáng)度超聲波管道清洗機(jī)。 值此，該新型高頻高壓大功率開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)方案作一分析介紹。
2、設(shè)計(jì)思想
對(duì)高頻高壓大功率開(kāi)關(guān)電源而言，其程式應(yīng)該由前級(jí)AC-DC(市電交流輸入220v變換成直流高壓) 和后級(jí)DC-AC(直流高壓逆變成高頻高壓) 兩大主要部分組成。
按目前常規(guī)的設(shè)計(jì)，前級(jí)AC-DC往往采用市電220v交流輸入經(jīng)整流濾波；而后級(jí)采用電源管理IC（電源控制芯片）和全橋大功率管(MOSFTT管或IGBT管) 及脈沖大功率變壓器一起組成的零電壓開(kāi)通、關(guān)斷的諧振電路（ZVS）拓?fù)浞绞絹?lái)實(shí)現(xiàn)DC-AC，見(jiàn)圖1所示。
2.1這種分立組合式的設(shè)計(jì)程式對(duì)高頻大功率電力電子技術(shù)來(lái)說(shuō)有較大缺陷
首先分析后級(jí)DC-AC。雖然電源管理器(控制芯片IC)功能很強(qiáng)，但由于仍屬分立組合，故制作調(diào)試煩瑣，特別是與大功率管連接的功率驅(qū)動(dòng)部分往往都是小型高頻變壓器與驅(qū)動(dòng)三極管的合成，所以在負(fù)載匹配上經(jīng)常出現(xiàn)由于連線分布電容和電感所形成的尖峰脈沖將擊穿或燒毀；再看前級(jí)AC-DC，進(jìn)行AC-DC, 是將輸入交流的220V市電變換成直流高壓(320V-350V)的大功率變換，若是采用一的般的橋式整流加濾波，則在交流電源一個(gè)周期內(nèi)，其整個(gè)開(kāi)關(guān)電源只有很短時(shí)間從交流電源吸取電流，輸入脈沖電流的峰值很大，它含有非常高的諧波分量（三次諧波尤為突出），由于只有輸入電流的基波分量才能產(chǎn)生有功功率，因此開(kāi)功率因素很低，同時(shí)，諧波電流還會(huì)嚴(yán)重污染電網(wǎng)，并干擾其它設(shè)備。
2、模塊化技術(shù)的應(yīng)用方案是克服上述缺陷的最有效設(shè)計(jì)
3.1選用合適功率變換模塊電路
前級(jí)AC-DC大功率變換為了提高功率因素，限制電流畸變和諧波，必須必須采用功率因素校正（Power Factor Correction, 簡(jiǎn)稱PFC）新技術(shù)，即具有諧波和功率因素校正及各種過(guò)壓、過(guò)流等保護(hù)功能的功率變換模塊電路。
據(jù)此，采用了日本NEMIC-LAMBDA公司產(chǎn)的PF-1000要-360型AC-DC大功率變換模塊，將(AC)交流輸入220v成直流(DC)360v. 其PF-1000A-360型AC-DC變換模塊內(nèi)部框圖，見(jiàn)圖2所示。交流輸入220v加到PF功率變換模塊的輸入引腳AC(L火線)和AC(N零線)，經(jīng)功率因素和諧波校正后, 從PF模塊的引腳+U0和-Uo輸出。
PF-1000A-360型AC-DC大功率變換模塊簡(jiǎn)介：
* 模塊PF-1000A-360型AC-DC變換模塊技術(shù)指標(biāo)：其輸入電壓為交流170V—265V，而輸出電壓為直流360V; 輸出為直流電流2.8A-4.2A;輸出功率為1008W-1512W；典型浪涌電流60A；最小功率因素為95%；輸出電壓精度為±2%；
* 模塊的特點(diǎn): 可實(shí)現(xiàn)功率因素和諧波校正，效率高達(dá)95%以上。帶有過(guò)壓保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)和輸入浪涌保護(hù)等保護(hù)電路。模塊內(nèi)部將功率電路和控制電路集合在一起，使用起來(lái)非常方便。
* PF-1000A-360型引腳功能:
IOG-升壓變換器工作監(jiān)視引腳。正常工作時(shí)，IOG端為低電平，若IOG端為高電平，表示該模塊出故障。
SG--信號(hào)地，在模塊內(nèi)部與負(fù)輸出引腳-Uo相連。
ENA--電源“接通” 監(jiān)視引腳, 用于監(jiān)視PF模塊輸出電壓, 當(dāng)PF模塊輸出電壓處于
其正常電平(360VDC)時(shí)為低電平。
AUX--輔助電源輸出引腳，在最大輸出電流為10MA時(shí)，輸出電壓范圍為12V—20V.
PC--并聯(lián)工作控制引腳,只要直接將該模塊PC引腳與另一模塊的PC引腳相連，則兩個(gè)
模塊就可并聯(lián)工作，最多允許五個(gè)同功率模塊并聯(lián)。
R1--外接浪涌限流電阻，用它可以限制電源剛接通時(shí)的浪涌電流，若不接，則模塊不
應(yīng)正常工作, 實(shí)際上R1(4.2Ω/2W)應(yīng)與F3溫度保險(xiǎn)絲(250V 2A 130℃) 相串接而成(見(jiàn)圖4所示)。
外形尺寸（長(zhǎng)*寬*厚）為：146mm*86mm*125.mm
模塊使用時(shí)應(yīng)按裝在散熱板上。
3.2后級(jí)DC-AC的設(shè)計(jì)
后級(jí)DC-AC的設(shè)計(jì),是采用IPM-4M全橋式DC-AC高頻大功率變換模塊，該(DC-AC)IPM—4M 模塊(見(jiàn)圖3所示), 應(yīng)用美國(guó)IR公司的功率器件和貼片工藝生產(chǎn)。用戶可以簡(jiǎn)單方便地直接利用它或其組合設(shè)計(jì)制作、成各類高頻大功率開(kāi)關(guān)電源。
* 應(yīng)用P1電流檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)恒流控制：
將流過(guò)第P1腳的電流感應(yīng)檢波取樣送至第9腳，經(jīng)過(guò)調(diào)整送至第8腳可進(jìn)行恒流控制。
* 具有輔助電源供電流型PWM及輔助保護(hù)電路正常工作：
由啟動(dòng)電源和內(nèi)反饋電源組成，它要求電壓在20-500V范圍內(nèi)能正常工作(一般情況下在交流220V整流后350V-360V直流電壓下工作)。由其模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析所知，它大大減少或克服了后級(jí)(DC-AC)分立組合所帶來(lái)的制作調(diào)試麻煩和大功率管被擊穿或燒毀等弊病。只需方便的使用模塊的引腳，就可實(shí)現(xiàn)功能DC-AC。
為便于應(yīng)用，值此將模塊特點(diǎn)作一介紹：IPM-4M全橋式DC-AC高頻大功率變換模塊特點(diǎn)（見(jiàn)圖3所示）。
* 模塊DC/AC變換方式
*全橋式功率輸出，內(nèi)裝4只MOSFET大功率三極管
*工作頻率可10Hz-150KHz調(diào)節(jié)
*輸出電壓穩(wěn)定可調(diào)，改變輸出脈寬值
*適應(yīng)工作電壓范圍寬:20v-500v
*模塊工作電流0-20A
*可作為驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行大功率擴(kuò)展
*外形尺寸（長(zhǎng)寬厚）為：115mm*66mm*23mm.
* 模塊使用時(shí)應(yīng)按裝在散熱板上
IPM-4M模塊輸出引腳使用說(shuō)明：
*模塊左下角圓點(diǎn)為順序腳P1為第1腳
*P1、DC+正電源輸入：可在20V-500V電壓范圍內(nèi)使用
*P2、AC功率脈沖寬度調(diào)制波輸出：波形極性與P3相反
*P3、AC功率脈沖寬度調(diào)制波輸出：波形極性與P2相反
*P4、DC-負(fù)電源輸入（或地端）
*P5、UHO全橋脈沖電流取樣輸出：當(dāng)內(nèi)接取樣電阻0.1Ω時(shí)動(dòng)作電流為4A時(shí),P4和P5之間每并接一只0.1Ω電阻，可使最大工作電流增加4A，注意：視在功率不應(yīng)超過(guò)1200VA(P1點(diǎn)電壓乘以流過(guò)P1電流)
*P6、RT頻率調(diào)整：此腳懸空時(shí)，P2、P3輸出標(biāo)稱頻率(各模塊均有標(biāo)注，本介紹的模塊為22KHz)。當(dāng)P6和P4之間接入100KΩ精密電位器時(shí)，改變阻值可使在標(biāo)注頻率f在0—150KHz范圍內(nèi)變化。
*P7、V0光隔離反饋脈寬調(diào)制地電位。
*P8、Vin光隔離反饋脈寬調(diào)制信號(hào)輸入：當(dāng)反饋信號(hào)大于2.5V時(shí),P2、P3輸出脈沖寬度減小，使反饋信號(hào)平衡在2.5V
*P9、P1, 電流檢測(cè)信號(hào)隔離輸出：在P7、P8、P9之間接微調(diào)電阻（P8接電阻抽頭），調(diào)整它可改變P2、P3輸出或做電流整定。不用時(shí)此腳懸空。
*模塊使用時(shí)應(yīng)按裝在散熱板上。
由于DC/AC模塊應(yīng)用領(lǐng)域很多，但大多數(shù)都使用到了高頻大功率變壓器，現(xiàn)提供設(shè)計(jì)公式和例子
那為什么后級(jí)DC-AC要選用IPM-4M全橋式DC-AC高頻大功率變換模塊？通過(guò)對(duì)該模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析就一目了然，從圖3中可看到：
*具有功能較強(qiáng)的電源管理器電路（電源控制芯片），即電流型PWM及輔助保護(hù)電路：
所謂電流型即在比較器的輸入端直接用感應(yīng)到的輸出電流信號(hào)與誤差放大器進(jìn)行比較，來(lái)控制輸出的峰值電流跟隨誤差電壓變化。這種控制方式可以改善整個(gè)開(kāi)關(guān)電源電壓和電流的調(diào)整率，改善整個(gè)系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)。電流型PWM 還具有重選脈沖抑制電路，消除在一種輸出里出現(xiàn)兩個(gè)連續(xù)脈沖的可能性。這對(duì)于半橋電路或全橋電路組成的開(kāi)關(guān)電源能否可靠工作是極為重要的。
* 內(nèi)含IC驅(qū)動(dòng)電路代替脈沖變壓器隔離：
在半橋電路或全橋電路中高端和低端的驅(qū)動(dòng)器是不供地的，一般采用脈沖變壓器隔離。當(dāng)頻率在數(shù)Hz到數(shù)百KHz范圍內(nèi)變化時(shí)，普通的脈沖變壓器是無(wú)法勝任的。而采用IC驅(qū)動(dòng)電路就不存在上述問(wèn)題，它的固有死區(qū)能防止產(chǎn)生直通信號(hào)，它的圖騰柱電路能吸收橋電路的“米勒效應(yīng)”。
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