基于移相全桥的60V／50A大功率可调电源

随着我国科技强军战略的实施，大量飞机、导弹等高科技武器装备列装空军、海军和二炮部队，尤其是载人航天、绕月探测等大型航天计划的实施，使得以计算机系统为核心的军用电子产品系统越来越复杂，其对供电质量(恒压、恒流、小纹波等)和供电数量(大负载、长时间等)提出了越来越高的要求。相应的地面电子测试系统及单元设备的长时间不问断工作、元器件批量筛选老练等，也对电源系统的功率等级、智能化、易用性、维修性等提出了更高的要求。我国在智能型高功率密度电源及功率管理系统的技术还较为落后，逐个突破技术上关键点，实现高端军用电源系统国产化，不仅可以摆脱高端电源受制于人的被动局面，更可以有力地保障我国航天、航空和导弹武器等军用电子产品大系统的顺利发展。本文研究的3kW大功率可调电源是构成智能型高功率电源及功率管理系统的关键单元，其自身及其使用的技术可以满足武器与军用卫星的后续型号与未来各种弹、箭、星、船等航天飞行器的功率变换需求与功率控制的需求，同时可推广应用到广泛应用于战略战术导弹系统，车载电子系统、军用卫星等领域。
   
   本文详细讲述了3kW 大功率可调电源的研制情况，为软开关技术在军用领域的应用做了有意的探索与尝试。
   1 工作原理与研制难点
   3kW大功率可调电源通过将输入的市电进行整流、再通过PFC单元进行功率因数校正变换成
   
   高压直流电供给主功率变换部分，主功率变换部分采用软开关ZVS技术进行功率变换，通过电压基准(电压环控制基准 耐)、电流基准(电流环控制基准 )对输出电压和输出电流的最大值进行设置。3kW大功率可调电源采用ZVS型移相全桥的电路拓扑结构来实现主功率变换部分，使用ZVS型移相全桥的电路拓扑结构使该电源具有了较高的转换效率，输出纹波的峰一峰值大为改善(50mV以内)。
   3kW大功率可调电源在技术上的实现难点最主要有三点：
   (1)采用何种方式在输出轻载下实现主功率管的软开关(ZVS)；
   (2)输出电压在0～60V范围内任意设定，输出电流在0～50A内任意变化时保持电源稳定工作；
   (3)如何实现输出电压的零电压起调。
   2 主要功能的实现
   2．1 输入部分的实现
   输入部分设计有保护电路，在启动过程中监视PFC的输出电压，当PFC电压建立后，给出“允许主功率部分工作”信号，当主功率部分接受到此信号才开始工作。当PFC的输出发生过、欠压时切断“允许主功率部分工作”信号，使主功率部分停止工作。
   2．2 主功率部分的实现
   移相全桥ZVS电路在输出轻载下实现主功率管的软开关(ZVS)，主要方法有变压器原边电路串人饱和电感，采用辅助谐振网络(有多种实现方式)，以及参考文献[4]中提到的新型移相全桥ZVS电路等。原边回路串人饱和电感(增加谐振电感)会使轻载时主功率变换部分效率很低，同时使主功率变换部分副边占空比丢失现象加剧。在实际应用中确定饱和电感很困难，因此一般是使用高频电感。参考文献[1]中介绍拆焊国外350V／10A军用电源时，发现主功率变压器原边绕组串联的附加谐振电感器，是一种直径为q~33mm的铁硅铝磁
环，绕组用多股细线绕3．5圈，电感量为3．2lxH。本文研制的3kW大功率可调电源在实验中发现，加入饱和电感(增加谐振电感)对原边电流波形有改善，但是原边电压波形随着饱和电感电感值的增加而波形上的毛刺加大。一般折中考虑，可以使用微亨级铁硅铝材料的电感。
   本文中研制的电源经过综合考虑采用辅助谐振网络来实现输出轻载下主功率管的软开关(ZVS)。主功率变换部分电路如图2所示。主功率
变换部分采用移相全桥ZVS电路， 、c日 、 、D 、D止组成辅助谐振网络并联于采用移相全桥ZVS的滞后桥臂，它不干扰主功率变压器电路，功耗也小，其工作状态不受负载电流大小的影响。辅助谐振网络能使滞后桥臂开关管在轻载时实现ZVS，明显减小占空比丢失，提高了电源的效率和可靠性。
   
   辅助谐振网络的电流增强原理是：当滞后桥臂下管S 关断时，辅助电感的电流与原边电流同时流入节点B；而当滞后桥臂上管S 关断时，它们又同时流出节点B。也就是说两种电流同时对并联电容器充电、放电，它在各种负载电流时，特别是在轻载或者空载等恶劣条件下，也能在S 、s4开通之前，抽掉并联电容器中的电荷，实现完满的零电压开关ZVS。
   为串入主电路的电感，由于辅助谐振网络的存在， 可以大大减小甚至取消。在本文中设计的3kW大功率可调电源没有使用饱和电感厶，而是只使用了辅助谐振网络。图3给出了输出12．9V／10A时滞后桥臂MOS管s 的d、s间及 s间的电压波形。可以看出在输出功率为设计功率的4％左右时滞后桥臂已经实现了零电压开关。通过参考文献[2】的理论分析可知，超前桥臂此时一定实现了零电压开关。
   
   2．3 电源控制环路和软启动的实现
   由于本电源要求输出电压在0-60V范围内任意设定，输出电流在0~50A内任意变化时保持电源稳定工作，这就对电源的控制电路有很高的要求。本文研制的电源采用外加运放组成电压环、电流环结合的控制环与主控芯片相结合的方法；实验证明电源输出电压在0~60V范围内任意设定，输出电流在0-50A内任意变化时电源稳定工作。
   由于该电源的主控芯片采用UC3879，是一种电压型控制芯片，而且在本课题应用中为了实现大功率全范围稳定工作，反馈控制环路的设计中很难兼顾输出启动特性；同时本课题的电源输出功率大，通过控制芯片UC3879的软启动脚未能实现输出软启动，输出有启动过冲问题。本课题单独设计了软启动电路如图4所示，解决了输出启动过冲问题；另外输出保护电路检测到故障后，通过主功率工作使能信号来停止电源的工作，起到故障保护。此种方式在主控芯片UC3879失效时，仍能停止电源的工作，起到故障保护，原因在于其是通过关断芯片的供电电源来达到保护动作。
   2．4 输出电压的零电压起调
   本文电源的研制中，实验证明在电压基准为零时，输出电压不为零，原因是主功率电路采用移相全桥ZVS拓扑，控制方式是通过主功率管间的移相角来实现对输出电压的调节，此类控制方式非常适合在可调电源中应用；但是也决定了电压基准为零时，由于主功率管的处于导通状态，功率管间的移相角很难为零，输出电压因此不为零。无法单独通过加死负载来解决输出电压的零电压起调。本文研制的电源由运放、三极管及小阻值的功率电阻组成一个本质为斩波器的电路，通过将输出电压、输出电流及电压基准(电压环控制基准耐)引入该电路，使此电路工作于输出零电压的一小段状态内，实现输出电压的零电压起调。实验证明该电源可以在0～60V范围内任意设定输出。
   
   
   压”表实时观测输出电压，“电流”表实时显示当时电压负载电流值。
当输出电流大于电流设定的预置值时，电源将产生保护动作，输出电压将下降实现恒电流输出。此时，可以调节“电流设定”旋钮，顺时针为增大方向，来增加电流设定的预置值，来使输出电压达到设定值。过压保护动作发生时，“工作指示”灯熄灭，此时电源主功率部分被关断不向外部输出功率，只有通过关断“电源开关”重启电源来消除过压保护动作。
   4 结语
   通过实际测试，本文研制的电源在3kW 负载下可以长期运行，达到了电源的设计要求；主要技术指标：输入电压范围220+10％V(AC)，单相，频率50+10％Hz；典型效率90％以上；输出电压DC0～60V连续可调；输出电流最大50A(可任意设定限流点)；功率3000W；负载调整率≤0．5％；纹波啪≤20mV，V P~<200mV。保护功能：过流保护、过压保护、短路保护。