28V—120A開關直流穩壓電源設計

摘 要：開關直流穩壓電源具有體積小、重量輕、高效率、低紋波、動態響應快、控制精度高等諸多優點，為了得到符合實際需求的開關直流穩壓電源，對28V-120A開關直流穩壓電源進行了設計與研究，主要由整流濾波、橋式開關電路、驅動電路、脈寬控制電路、輸出整流濾波電路、穩壓與光電隔離電路、電壓與電流保護電路、面板指示與調整電路等組成，實驗結果驗證了模式的正確性.

關鍵詞：開關直流穩壓電源；電路設計；仿真分析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.10.148

1 引言

傳統的集中式電源供電系統已經無法適應市場的需求，逐漸被淘汰，而由多個電源模塊并聯組成的并聯電源系統[2]則被市場廣泛接受并且迅速發展。本課題設計了兩個電源模塊，單機可為28V-60A的用電設備供電，同時又可作為大型車輛的快速充電使用，是一種經濟可靠的較大功率的開關電源。

單機模塊設計參數：

（1）220V/50Hz單相工頻交流電或者380V/50Hz三相工頻交流電；

（2）UO=28V，調整范圍28V±4V ；

（3）28V輸出時，最大輸出電流60A、電壓精度為±2.5%；

（4）波紋電壓有效值小于100mV；

（5）具有過流保護、過壓與欠壓、過熱保護功能與電風扇轉速控制；

（6）最大電流50A時，連續工作時間不低于2小時；電流大小達到70%時，連續工作時間不低于100小時。

主、副電源模塊并聯運行參數：

（1）并聯運行電壓輸出范圍18V～32V，最大輸出電流120A；

（2）并聯運行在31V/120A時，精度優于0.5%，最大功率可達3.7kw；

（3）波紋電壓有效值優于20mV。

2 單模塊及模塊并聯設計

2.1 單機主變換電路原理及考慮

主變換部分電路原理如圖1所示，基本的思路是將220V交流電經過線路濾波器，再經過高壓大電流全橋整流，使用兩個大容量電容（1000uF/250V）串聯均壓，將整流后約300V的直流電變換為兩個140V的直流電，供半橋變換電路使用。

半橋變換使用兩個大功率IGBT復合場效應管（GT60N322，60A，1000V，內置反向二極管）GT1、GT2，與兩個對稱的直流140V電源組成半橋電路.主開關變壓器初級線圈與電流互感器串聯，連接在VinDC-2與GT1、GT2中間，可以給初級線圈加入約為正負140V的電壓.按照額定交流電220V±44V考慮，線圈最低電壓約為110V，最高電壓約為168V.GT1、GT2在寬度可變反相脈沖作用下交替導通，將高壓直流電變換為寬度可變的電壓，經過主開關變壓器后電壓幅度約為36V～42V，再經過全波整流與兩級LC濾波電路變換為28V的直流電壓。

2.2 主控部分研制方案

由SG3525構成的電源控制集成電路原理如圖2所示， OUTA、OUTB輸出兩個反相、占空比小于50%的脈沖波（一般最高取45%，防止共模導通現象），驅動開關管電路.為了提高驅動能力提高開關速度，輸出OUTA、OUTB采用全橋的二級驅動。

2.3 限流保護部分研制方案

該部分的主要作用是實現限流、保護等功能，電路原理如圖3所示。

（1）電風扇控制。溫度測量使用了PN結反向電流度量，加到U1A反相端.在溫度較低時，通過大功率三極管控制電風扇在低速運行.相反，溫度升高后，輸出控制電壓變高，Q2三極管電流增大，提高轉速。

（2）電壓保護。以U1B為核心，構成滯回比較器，在超過一定溫度時輸出高電壓，使面板故障等亮，輸出Vo2加到SG3525控制端，使其停止工作。

以U1D為核心構成同相比較器方式的電壓保護，如果輸出電壓取樣后超過基準電壓5V，則輸出高電平，直接連接到3525A關斷保護。

（3）輸出過流保護。U1C可以理解為反相加法器，構成輸出過流保護電路.其中輸出電流取樣，相對GND為負電壓，Uref-R47提供正的電壓，防止U-出現過低的負電壓.CN7-限流調節，輸出正電壓，以射極輸出器方式將正電壓加到連接點，并連接到U1C-端.正常工作時，該點為正電壓，所以輸出Vo3為低電壓（近約為0.35V）。

2.4 并聯均流控制的實現

均流方法主要采用主從均流方法基礎再進行設計，將樣機中的兩單個電源模塊確定出主機和副機。通過并聯控制電路板，通過主從均流方法，并聯后副機的電壓將跟隨主機的電壓變化，通過主副機之間的電壓偏差信號實現均流控制。如圖4所示，在電源模塊獨立工作時，主、副機電源模塊中的VR電位器調節旋鈕分別于各自的Rpot11、Rpotm12，Rpot21、Rpotm22接通，此時兩電源模塊獨立運行。另外，主機電源模塊的Rpot11、Rpotm12直接相連，副機電源模塊要有繼電器的JF21雙刀雙擲開關控制。繼電器需要主機模塊的12V電源供電才能工作。主、副機模塊獨立工作時，即繼電器斷電的情況下，開關置于下方端子，即Rpot21、Rpotm22的接通，副機也在獨立運行狀態。

如圖5所示，并聯控制電路板主要包括正母線并聯繼電器、取樣電流、比較放大器、V-I變換器及光電耦合器、信號切換繼電器等組成。控制板上兩個插頭JP+12V，將與主機12V電源和GND的連接.并聯控制開關部件有信號繼電器開關KP1-1、KP1-2（該繼電器通斷）、后面板的并聯開關、正母線通斷開關（使用12V/30A兩并聯繼電器開關）、負母線連通金屬片.并聯運行前，必須做好將后面板的并聯開關由負母線金屬片壓力閉合，連接正母線，才能接入負載箱。負載箱含有A組、B組兩組相同的負載，樣機實驗項目是通過進行電流和電壓的測試。負載箱包括A、B兩組負載，在30V條件下，A組使用開關KA1～KA4使用開關可以連接3Ω/10A、3Ω/10A、2Ω/15A，2Ω/15A四種負載；在30V條件下，B組使用開關KB1～KB4使用開關可以連接3Ω/10A、3Ω/10A、2Ω/15A，2Ω/15A四種負載。

從表1可以看出，單個電源模塊獨立運行時，電源的穩壓精度較高，紋波系數滿足了設計要求。圖17說明了開關電源在不同負載下驅動電路對開關的的調節情況，可以看出信號比較可靠、準確。圖10，分別為 Uo=28V時接入兩2//2歐姆負載時，主副機并聯均流情況主機14.1A，副機為13.0A、 Uo=28V時接入兩3//3//2//2（Ω）負載時，主機24.7A，副機21A，從并聯均流情況，從均流情況來看滿足設計要求。

3 結語

開關電源設備的發展不僅受到電力電子技術發展的制約，而且受到設備制造技術、市場需求、制造成本與利潤等多方面因素的影響.但開關電源設備的發展呈現高頻化和小型化的趨勢，模塊化并聯技術日益成熟，這就為提高中功率開關電源改進和優化奠定必備的硬件基礎。

參考文獻：

[1]華偉，周文定，現代電力電子器件及其應用[M].北京：清華大學出版社，2002：1-5.

[2]路鳴，楊恒，丘野龍.自動均流技術及負載均流集成電路控制器UC3907[J].電子技術，1999（10）：27-30.

[3]鄭則炯.淺析開關電源并聯系統自動均流技術[J].科技展望， 2017，27（21）：131.

[4]李奎偉.程控直流開關電源模塊的主從式并聯均流設計[J].電子世界，2017（09）：142.

作者簡介：高明（1982-），男，本科，講師，研究方向：電工電子技術。