淺談直流操作電源的設(shè)計(jì)

楊義 劉衛(wèi)

摘 要：電力電子開關(guān)電源技術(shù)在電氣工程自動化中的應(yīng)用十分廣泛，在電力直流操作電源的整個(gè)系統(tǒng)中，整流模塊的設(shè)計(jì)、功率因數(shù)、均流方式、散熱防塵等問題都是最為重要和復(fù)雜的，是逆變技術(shù)應(yīng)用的核心部分。而隨著開關(guān)電源數(shù)字化、高頻化、模塊化、綠色化等的出現(xiàn)，可將電力系統(tǒng)高效率用電和高品質(zhì)用電相結(jié)合起來。

關(guān)鍵詞：控制電路；逆變技術(shù)；數(shù)模轉(zhuǎn)換

引言

我國地域遼闊，全國各省市的電力供電質(zhì)量相差較大，為能很好地適應(yīng)全國范圍內(nèi)市場的需求，直流操作電源系統(tǒng)必須達(dá)到電網(wǎng)所要求的各個(gè)參數(shù)；但也要考慮到電源正常工作時(shí)的成本和工作效率、精度及可靠性等指標(biāo)，而且相適應(yīng)的輸入電壓范圍也不能太寬.所以我們選擇交流電壓輸入為：三相380V±8%，50HZ±18%，或者為：單相220V±8%，50HZ±18%。要求的輸出直流電壓變化范圍是175-270V，而不同規(guī)模的變電系統(tǒng)設(shè)備所應(yīng)用的輸出電流也不同，一般在10-40A的范圍內(nèi)，這樣可以有效的保證供電系統(tǒng)的可靠性，平穩(wěn)性和安全性，所以電力系統(tǒng)均采用開關(guān)電源模塊并聯(lián)運(yùn)行的方式，即系統(tǒng)采用N+1模式，可以有一臺的余量備份，所以，我們這里設(shè)計(jì)輸出電流為15A的開關(guān)電源模塊。

1 直流操作開關(guān)電源技術(shù)方案選擇

根據(jù)前面的要求，單臺開關(guān)電源模塊的輸出功率為：

P0max=V0max·Ie=270×15A=4050W

單臺模塊的輸出功率雖然不太大，但是我們?yōu)榱瞬捎靡葡嗍絑VT軟開關(guān)變換技術(shù)，還是采用全橋逆變電路，采用VMOSFET作為開關(guān)管，由于輸出側(cè)的電流小，電壓高，為了能選到合適的快恢復(fù)整流二極管，我們采用全橋整流電路，為了提高可靠性和整機(jī)效率，采用無源PFC技術(shù)，即用LC濾波。控制回路采用以移相式PWM控制芯片UC3875為核心的方案，并用電流型控制模式，采用以上技術(shù)的直流操作開關(guān)電源模塊的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1

2 電源主電路的設(shè)計(jì)

2.1 直流母線電壓范圍計(jì)算

交流輸入電壓范圍為380V±10%，三相全橋整流為每周期（20ms）六個(gè)波頭。無源PFC校正LC濾波，L1較大，C2很小，對電壓的平滑作用隨負(fù)載的不同而不同。負(fù)載重時(shí)，C2上的電壓幾乎與整流后面一樣，輕載時(shí)又幾乎為峰值電壓。所以，直流母線上的電壓變化范圍是：

Vdamx=380×■×1.2≈645V

Vdamx=380×■×0.8×sin60°≈372V

2.2 變壓器的變比

變壓器的變比設(shè)計(jì)需要保證在最低輸入電壓時(shí)能輸出所要求的V2min，即

n=■=■≈1.024≈1.2

2.3 效率預(yù)估計(jì)和功率計(jì)算

首先假設(shè)變壓器的效率為98.5%，次級回路的效率為96.5%，變壓器初級的效率為95%，則整機(jī)效率為：？濁=95%×98.5%×96.5%≈90.3%

額定輸出功率：Poe=2850W

變壓器輸出功率：P2max=2953.5W

變壓器輸入功率：P1max=P2max/98.5≈3000W

電源輸入功率：Pie=2850/90%≈3167W

2.4 開關(guān)管選擇

前面已經(jīng)選定利用VMOSFET作為開關(guān)管，現(xiàn)在計(jì)算其電流電壓定額。初級回路電流峰值I1M=8.1A，所以可選取開關(guān)管定額為12-15A。直流母線最高電壓Vdmax=645V，加上100V電壓毛刺，選取其電壓定額為1000V。因此，我們選取IXYS公司的IXTK21N00型VMOSFET作為開關(guān)管，實(shí)現(xiàn)ZVT時(shí)，開關(guān)損耗很小，因?yàn)槭橇汶妷洪_通，且關(guān)斷時(shí)刻損耗也很小，即Poff=■×I1m×VDS×tif×f=■×8.16×645×50n×60k≈7.9W

3 結(jié)束語

目前在我國正在運(yùn)用的電力直流操作電源主要有高頻開關(guān)式電源和可控硅整流式兩種方式。輸出的電壓和電流都能保證留有一定的余量，在電氣工程中電力電子開關(guān)電源技術(shù)的應(yīng)用最為廣泛，開關(guān)電源技術(shù)和電力電子非常快速地向前發(fā)展，供電網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行時(shí)，電力直流操作電源將輸出的交流電操作成可調(diào)節(jié)的，能穩(wěn)流、穩(wěn)壓的直流電壓，新技術(shù)的出現(xiàn)又會使許多應(yīng)用產(chǎn)品更新?lián)Q代，還會開拓更多更新的應(yīng)用領(lǐng)域。專用電源以開關(guān)電源技術(shù)為核心的研發(fā)將在未來的工業(yè)電源中發(fā)揮著不可替代的作用。

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