高壓模塊電源設(shè)計(jì)

劉鐵軍 曹超

摘要：本論文闡述了一系列高壓模塊電源，所術(shù)的電源通過ZCS/ZVS變換器拓?fù)湓O(shè)計(jì)技術(shù)，ZCS/ZVS控制及檢測技術(shù)、高頻高功率密度磁性器件設(shè)計(jì)技術(shù)、零電流核心控制芯片的設(shè)計(jì)和仿真技術(shù)、熱設(shè)計(jì)、可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)，建立高功率密度的ZCS/ZVS軟開關(guān)DC/DC變換器自主設(shè)計(jì)技術(shù)平臺。

關(guān)鍵詞：模塊電源;高壓;軟開關(guān)

1.背景

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)平穩(wěn)?較快發(fā)展，國家綜合實(shí)力和國際影響力不斷增強(qiáng)，尤其是航空?航天和武器裝備等高科技領(lǐng)域發(fā)展勢頭最猛?隨著國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展戰(zhàn)略要求我們必須盡快填補(bǔ)高壓模塊電源這一空白，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品國產(chǎn)化并形成系列化型譜產(chǎn)品，為我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展和鞏固軍事實(shí)力起到有力支撐作用?高壓模塊電源的高可靠性?小體積技術(shù)優(yōu)勢倍受廣大國內(nèi)軍工用戶青睞，需求量逐年增加?

2.主要內(nèi)容和原理

高壓模塊電源采用ZCS/ZVS變換器拓?fù)湓O(shè)計(jì)技術(shù)，ZCS/ZVS控制及檢測技術(shù)、高頻高功率密度磁性器件設(shè)計(jì)技術(shù)、零電流核心控制芯片的設(shè)計(jì)和仿真技術(shù)、熱設(shè)計(jì)、可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)，建立高功率密度的ZCS/ZVS軟開關(guān)DC/DC變換器自主設(shè)計(jì)技術(shù)平臺。

有源箝位網(wǎng)絡(luò)由箝位開關(guān)管和箝位電容組成。根據(jù)箝位電容Cc的位置不同，有源箝位正激變換器有兩種拓?fù)浞绞剑鼈兊墓ぷ髟砘疽恢隆?/p>

有源鉗位變換器的變壓器是雙向?qū)ΨQ磁化的，它工作在B-H回線的第一和第三象限。變壓器得到了充分利用，因此占空比可以大于0.5，而且開關(guān)管的電壓應(yīng)力低，這和LAMBDA的零電流方式是基本類似的。和零電流方式不同的是，有源鉗位的鉗位開關(guān)管是零電壓方式的，勵(lì)磁能量和漏感能量全部回饋到輸入回路中，兩者效率都可以達(dá)到很高，有源鉗位電路在600W時(shí)最高效率可以達(dá)到91%（實(shí)測），而LAMBDA在600W時(shí)最高效率為89%（據(jù)分析，這和其變壓器的銅損稍大、模塊內(nèi)功率走線相對損耗大有一定關(guān)系），但也證明了兩種電路拓?fù)涠伎梢詫?shí)現(xiàn)大功率，高功率密度設(shè)計(jì)。

3.機(jī)械結(jié)構(gòu)和特殊工藝控制

高壓模塊電源產(chǎn)品的基板只是用做散熱面，不用來承載任何電路。散熱效果明顯要好于其它類型的產(chǎn)品，且承載的鋁基板是接通輸入地的，起到了很好的電磁屏蔽作用。采用真空螺旋加速灌封，保證一次灌封實(shí)體率達(dá)到99%以上，提高了抗震性能和可靠性。

4.關(guān)鍵技術(shù)及優(yōu)勢

高壓模塊電源的關(guān)鍵技術(shù)及優(yōu)勢有以下幾點(diǎn)：

（1）頻率越高，對控制電路設(shè)計(jì)要求越高，對高速傳輸信號的要求越高，對體積和電路布線的要求也越高，幾乎是呈正比例的。由于該型譜產(chǎn)品采用有源鉗位PWM控制方式，故開關(guān)頻率不超過1MHz，即可實(shí)現(xiàn)大功率、高功率密度。而LAMBDA產(chǎn)品采用的是零電壓PWM控制方式，其最高開關(guān)頻率超過300KHz。這樣，開關(guān)頻率的差別就使我公司的控制電路集成化的設(shè)計(jì)難度大大降低;

（2）在有源鉗位技術(shù)解禁后，各種控制IC如雨后春筍般涌現(xiàn)出來，現(xiàn)在有源鉗位的控制IC，不僅將絕大部分功能集成化，控制IC的外圍電路設(shè)計(jì)和元件數(shù)量方面也大大簡化了，使輸入級控制電路變的簡單、可靠，這樣，輸入級控制電路集成設(shè)計(jì)就變的簡單，只需少量元件和控制IC做二次集成即可;而輸出級的控制電路，由于功能單一，所用元件數(shù)量也非常少，故其集成化也是不存在困難的。

綜上兩個(gè)因素，雖然高壓模塊電源技術(shù)還沒有完全做過控制電路的集成設(shè)計(jì)，但已完成了控制電路的半集成化設(shè)計(jì)，雖然該型譜的控制電路與先前的半集成化設(shè)計(jì)有所不同（先前的頻率不超過200KHz，而該型譜產(chǎn)品的工作頻率要將近400KHz），但是在高頻信號的解決措施方面有著明顯的發(fā)展，比如多層電路板多層屏蔽設(shè)計(jì)方案以及各種新元件和小型化元件的使用，已經(jīng)能使高頻信號的傳輸和干擾都有很高的保證，所以完成對型譜產(chǎn)品控制電路的集成化設(shè)計(jì)同，塑料封裝并雙面接銅板接地屏蔽的方式。塑料封裝目前在國內(nèi)不存在任何問題，而增加雙面銅板接地屏蔽也只是在塑料封裝后增加了一道銅板成型工藝，在國內(nèi)來講，算是比較簡單的工藝。故在封裝方面都是比較容易解決和實(shí)現(xiàn)的問題。在選擇封裝廠家方面，我公司本著多公司擇優(yōu)選擇的方針，選擇了多家國內(nèi)比較成熟的封裝公司做儲(chǔ)備供應(yīng)保證。

5.可達(dá)技術(shù)指標(biāo)

（一）輸入電壓：

1） DC280V（200V-400V）/DC500V（400V-650V）

2） 其它定制電壓。

（二）輸出電壓：

1） DC5V、DC12V、DC24V、DC28V、DC48V 固定電壓

2） DC0～5V、0～12V、0～24V、0～48V可調(diào)電壓

3） 特殊定制固定或者電壓

（三）電壓精度：≤0.5%（典型）

（四）電壓調(diào)整率：≤0.5%（典型）

（五）電流調(diào)整率：≤1%（典型）

（六）紋波系數(shù)：≤0.1%（典型）

（七）效率：≥90%（典型）

（八）保護(hù)方式：

1） 過壓保護(hù)：關(guān)斷式

2） 過流保護(hù)：限流式/關(guān)斷式/折回式

3） 過溫保護(hù)：關(guān)斷式/可恢復(fù)式

6.應(yīng)用效益

國產(chǎn)化高壓模塊電源利用現(xiàn)有的模塊開發(fā)平臺對該產(chǎn)品進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)，并逐步實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)。投入市場以后，將會(huì)填補(bǔ)國內(nèi)空白，打破少數(shù)發(fā)達(dá)國家對我國軍工領(lǐng)域的貿(mào)易壁壘，可以拉動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)升級，帶動(dòng)地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到積極作用。